-Der Large Hadron Collider LHC - Die neuen großen Beschleuniger und ihre Schlüsselrolle -Der Large Hadron Collider LHC - Die Fragestellungen Der Large Hadron Collider Die Experimente Die Antworten: das Physikpotenzial Karl Jakobs Institut für Physik Universität Mainz

Wichtige offene Fragen der Teilchenphysik 1. Was ist der Ursprung der Masse ? - Existiert das Higgs Teilchen ? - Falls nein, wie sonst erhalten die Teilchen ihre Masse ? 2. Gibt es eine Universalkraft als gemeinsame Urkraft der verschiedenen Kräfte ? 3. Gibt es bisher unbekannte Formen von Materie ? - Ist unsere Welt supersymmetrisch ? - Besteht die dunkle Materie aus dem leichtesten supersymmetrischen Teilchen ? 4. Gibt es zusätzliche Raumdimensionen ? Antworten auf einige dieser Fragen werden auf der Energieskala bis 1 TeV erwartet ! Die Schlüsselrolle des Large Hadron Colliders: „Entdeckungsmaschine im Energiebereich von LEP/Tevatron bis zu einigen TeV“

Der Large Hadron Collider (LHC) „ Der erste Schritt in das TeV-Neuland der physikalischen Grundlagenforschung“ Proton-Proton Beschleuniger im LEP-Tunnel am CERN p   p 7 TeV 7 TeV - Höchste Energien pro Kollision - Bedingungen wie zu Zeiten von 10-13 -10-14 s nach dem Urknall Vier geplante Experimente: ATLAS, CMS (pp-Physik) LHC-B (Physik der b-Quarks) ALICE (Pb-Pb Kollisionen) Gebaut in einer internationalen Kollaboration aus 34 Ländern Geplante Inbetriebnahme: 2007

Wichtige Komponenten des Beschleunigers Supraleitende Dipolmagnete halten die hochenergetischen Teilchen auf der Kreisbahn - größte Herausforderung: Magnetfeld von 9 Tesla - insgesamt 1300 Stück, jeweils 15 m lang - Betrieb bei einer Temperatur von 1.9 K Acht supraleitende Beschleunigerstrukturen Beschleunigungsfeld von 5 MV/m Tests einer vollen LHC-Zelle erfolgreich durchgeführt LHC: die größte supraleitende Anlage der Welt

Proton-Proton Kollisionen am LHC 2835 x 2835 Pakete (bunches) Abstand: 7.5 m ( 25 ns) 1011 Protonen / bunch Kreuzungsrate der p-Pakete: 40 Mio. mal / sec. Luminosität: L = 1034 cm-2 sec-1 Proton-Proton Kollisionen: ~109 / sec (Überlagerung von 23 pp-Wechselwirkungen während einer Strahlkreuzung) ~1600 geladene Teilchen im Detektor  hohe Teilchendichten hohe Anforderungen an die Detektoren Gelöst in Forschungs- und Entwicklungsprojekten

Produktionsraten am LHC Inelastische Proton-Proton Reaktionen: 1 Milliarde / sec Quark -Quark/Gluon Streuungen mit ~100 Millionen/ sec großen transversalen Impulsen (> 20 GeV) b-Quark Paare 5 Millionen / sec top-Quark Paare 8 / sec W  e n 150 / sec Z  e e 15 / sec Higgs (150 GeV) 0.2 / sec Gluino, Squarks (1 TeV) 0.03 / sec Interessante Physikprozesse sind selten:  hohe Strahlintensität des Beschleunigers, extrem gute Detektoren (Unterdrückung des Untergrundes)

Proton -Proton Kollisionen Quark-Quark Streuung: Keine Leptonen/Photonen im Anfangs- und Endzustand q p q Leptonen mit großem Impuls im Endzustand:  interessante Physik ! Beispiel: Higgs Produktion und Zerfall p q H W   Wichtige Signaturen: Leptonen und Photonen Fehlende transversale Energie

Untergrundunterdrückung: Rekonstuktion von Objekten mit großem Impuls

Das ATLAS Experiment Solenoidmagnetfeld (2T) im inneren Bereich (Impulsmessung) Hochauflösende Halbleiterdetektoren: - 6 Mio. Kanäle (80 mm x 12 cm) -100 Mio. Kanäle (50 mm x 400 mm) Ortsauflösung: ~ 15 mm Energiemessung bis 1o an die Strahlachse Unabhängiges Myon Spektrometer (supraleitendes Toroidsystem) Bonn, Dortmund, Freiburg, Heidelberg Mainz, Mannheim, LMU München, MPI München, Siegen, Wuppertal

ATLAS Detektorkonstruktion

Das CMS Experiment Solenoidmagnetfeld (4T) im inneren Bereich (Impulsmessung) Wird gleichzeitig zur Vermessung der Myonen benutzt Hochauflösende Halbleiterdetektoren - 9,7 Mio. Kanäle, 210 m2 Energiemessung in Blei-Wolframat Kristallen (ausgezeichnete Auflösung für Photonen) Aachen, Karlsruhe

CMS Detektorkonstruktion

Die Suche nach dem Higgs Teilchen Wichtige Zerfälle zum Nachweis am LHC: H  Z Z   (der goldene Kanal) H  g g

ATLAS

„Falls das Higgs Teilchen existiert, wird es am LHC entdeckt werden ! “ Der gesamte erlaubte Massenbereich von der LEP-Grenze (~114 GeV) bis zur theoretischen Obergrenze von ~1000 GeV kann abgedeckt werden ! Entdeckung p > 99.9999 %

„Am LHC können erste Messungen der Eigenschaften des Higgs-Bosons durchgeführt werden“ Massenbestimmung mit einer Genauigkeit von ~ 0.1 % Erste Bestimmung von Verhältnissen von Kopplungskonstanten (Genauigkeit: 10-20%) Präzise Vermessung der Absolutwerte der Kopplungen  TESLA

„Auch ein supersymmetrischer Higgs Sektor kann abgedeckt werden“ Falls supersymmetrische Teilchen existieren, werden mindestens fünf Higgs-Teilchen erwartet Über weite Bereiche des Parameterraums können mehrere dieser Higgs-Teilchen entdeckt werden h,A,H,H h,A,H h,H h H,H h,H h,H,H h,H h,A,H,H

Der beste Test: Untersuchung der Streuung von W-Bosonen, die dann im „Sollte das Higgs-Teilchen nicht existieren, müssen am LHC Anzeichen einer neuen Wechselwirkung sichtbar werden“ Der beste Test: Untersuchung der Streuung von W-Bosonen, die dann im Energiebereich von ~ 1 TeV stark wechselwirken müssen Nachweis von Resonanzen, die in Vektorbosonen zerfallen (ZW, Zg, ….) LHC: Sensitivität für Massen bis ~ 1.5 TeV Starke WW-Streuung unterhalb der Resonanzregion  TESLA

Die Suche nach Supersymmetrie (SUSY) „Falls supersymmetrische Teilchen mit Massen unterhalb von ~ 3 TeV existieren, können sie am LHC entdeckt werden“ Die Squarks und Gluinos werden als Partnerteilchen der Quarks und Gluonen in starker Wechselwirkung erzeugt (hohe Raten) q p g  SUSY-Teilchen zerfallen in Kaskaden in das leichteste SUSY Teilchen  (Neutralino, Kandidat der dunklen Materie, verlässt den Detektor ohne Wechselwirkung) Signatur: fehlende Energie

LHC-Reichweite für Squark- und Gluinomassen: Evidenz für Squarks u. Gluinos 1 Monat: Masse ~ 1.5 TeV 1 Jahr: Masse ~ 1.9 TeV 3-4 Jahre: Masse ~ 2.5 TeV

Zur Bestimmung von Modellparametern: Weitere Suche nach Leptonen (e,m,t), Photonen und b-Quark Jets in SUSY Ereignissen Beispiele: 02  01 + - 02  01 h  01 bb Endpunkt: M = M(02) - M(01) Die vollständige Bestimmung der SUSY-Parameter ist schwierig Direkte Messungen von Massen der Sleptonen und Neutralinos an einem e+e- Beschleuniger sind wesentlich !

Weitere Neue Physik am LHC ? Beispiel: Zusätzliche Raumdimensionen d : # neuen Dimensionen MD = Skala der Gravitation R = Radius (Ausdehnung) MDmax = 9.1, 7.0, 6.0 TeV für d = 2, 3, 4 Ausdehnung: 10-5, 10-10, 10-12 m „Die LHC-Detektoren sind auch gerüstet, neue unerwartete Physik zu entdecken !“

Das LHC-b Experiment Experiment zur Erforschung der CP-Verletzung im System der B-Mesonen Hohe Ereigniszahlen: 1012 bb-Paare pro Jahr Wichtige Präzisionsmessungen Dresden, Heidelberg MPI Heidelberg

Kollisionen von Blei – Kernen: Das ALICE-Experiment Kollisionen von Blei – Kernen: Extreme Energiedichten (100 mal größer als in Kernmaterie) Ziel: Untersuchung eines neuen Materiezustands: Quark-Gluon Plasma TU Darmstadt, GSI Darmstadt, Frankfurt, Heidelberg, Münster

Zusammenfassung „LHC ist eine Entdeckungsmaschine, die den physikalisch interessanten Energiebereich von 0.1 - ~3 TeV erforscht“ Die Fragen nach der Existenz des Higgs-Teilchens und supersymmetrischer Teilchen können geklärt werden. Auch für weitere neue Phänomene bieten die Experimente ein großes Entdeckungspotenzial. Von LHCb und ALICE sind große Fortschritte in der Physik der b-Quarks bzw. in der Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas zu erwarten. Die großen technischen Herausforderungen sind in Forschungs- und Entwicklungsprojekten gelöst worden. Die Fertigstellung des Beschleunigers und der Experimente sowie richtungsweisende Entdeckungen werden mit Spannung erwartet.

Suche nach Quarks und Gluinos Charakteristische Signatur der Squark- und Gluinoproduktion im Detektor: mehrere Jets und fehlende Energie Beispiel: SUSY Modell mit Squarks und Gluinos mit einer Masse von 1.5 TeV Deutliche Signatur:  Partnerteilchen von Quarks und Gluonen können am LHC nicht übersehen werden Die Form des Spektrums ist sensitiv auf die Massen der SUSY-Teilchen Standard- modell