Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik RWTH Aachen, Seminar SS 2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik Proton-Proton Kollisionen bei höchsten Energien K.Hoepfner, T.Hebbeker, S.Roth, O.Pooth, D.Lanske Seminar konzentriert sich auf ein aktuelles Thema der experimentellen Teilchenphysik: proton – (anti)proton Kollisionen an gegenwärtig größtem Beschleuniger (Tevatron) und zukünftiger Maschine (LHC).

Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik Organisation Seminartermin: waehrend des Semsters, Dienstag um 8:30 (oder Montag 8:30), Physikzentrum Raum 26C201 Ablauf: - Vortrag ca. 45 min + 15 min Diskussion - Ausarbeitung (ca.10 Seiten) innerhalb von 3 Wochen nach dem Vortrag abzugeben - Alle Beteiligten kommen zu allen Vortraegen. Thema bitte frühzeitig auswählen (siehe Themenliste). Betreuer wird bekannt gegeben. Themen, Betreuer u.a. Informationen auf http://www.physik.rwth-aachen.de/~hoepfner/Teaching/seminar_SS04.html KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik Themenübersicht Das Standardmodell der Teilchenphysik Beschleuniger Die Tevatron Proton-Antiproton Experimente Die LHC Proton-Proton Experimente Quantum Chromodynamik Physik der elektroschwachen W und Z Bosonen Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs-Suche Ist die Welt super symmetrisch? beauty-Physik B-Oszillationen Entdeckung des top-Quark am Tevatron Nächste Generation top-Physik KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Entwicklung des Universums Moderne pp-Kollider untersuchen Universum ~10-10 s nach dem Urknall Entwicklung des Universums Entwicklung des Universums seit dem Urknall. Teilchen im ursprünglich erzeugten Plasma entkoppeln als Universum durch Ausdehnung weit genug abgekühlt ist. Moderne Teilchenbeschleuniger kehren diese Entwicklung um, Erzeugen Zustand kurz hinter dem Urknall. Hohe Energien = große Beschleuniger + Teilchen ohne hohen Energieverlust (wie bisher Elektronen) je Umlauf. CERN KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Beiträge der RWTH Aachen CMS Detektor am LHC Hardware Beitraege der RWTH zu einem der beiden LHC Experimente. Außerdem beteiligt an D0, Datenanalyse. Außerdem KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Die einzelnen Themen

Das Standardmodell der Teilchenphysik Fundamentale Teilchen Spin-1/2 Fermionen: Teilchen Ladung Masse Elektron 1 0.5 10-3 GeV ne < 2.05 10-9 GeV Muon 0.1056 GeV nm < 1.17 10-5 GeV Tau 1.777 GeV nt < 0.018 GeV u-quark 2/3 1.5-4.5 10-3 GeV d-quark -1/3 5-8.5 10-3 GeV c-quark 1-1.4 GeV s-quark 80-155 10-3 GeV t-quark 174 +- 5 GeV b-quark 4-4.5 GeV Quarks Leptons Wechselwirkungen Spin-1 Bosonen: Sinn des Vortrages ist Ueberblick ueber theoretisches Verstandnis (Standardmodell) zu geben. 12 fundamentale Teilchen als Spin ½ (d.h. nicht 2 Teilchen im gleichen Quantenzustand). Kraft vermittelt durch Austauschteilchen, teilweise masselos (Photon) oder recht massiv (W,Z). Meisten experimentellen Daten beschreiben Daten sehr korrekt. Nach Abweichungen gesucht seit langer Zeit, bisher ohne Erfolg. Aber Aspekte die SM nicht beschreibt.. Die meisten experimentellen Daten korrekt beschrieben. Elektromagnetisch Photon g masselos Schwach Z-Boson Z0 91 GeV W-Boson W+, W- 80 GeV Stark Gluon KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik Beschleuniger (main ring) Tevatron Upgrade Injektion LHC Dipol LHC KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Die Tevatron pp-Experimente Tevatron = TeV Beschleuniger z.Zt. größter Beschleuniger Größter z.Zt. laufender Beschleuniger. Zwei Experimente, substanzieller Upgrade, im Prinzip neue Detektoren, besonders hochauflösende innere Spurdetektoren die vorher nicht vorhanden. Status: Datennahme. Ergebnisse werden präsentiert auf Konferenzen KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Die LHC pp-Experimente Proton-Proton Beschleuniger der nächsten Generation. Vergleich zu Tevatron (2 TeV) hier 14 TeV Schwerpunktsenergie. Status: im Bau im alten LEP Beschleuniger. 4 Wechselw.punkte instrumentiert, davon 2 mit Detektoren fuer pp-Physik. Jeder Detektor ca. 4 Stockwerke hoch und einige 10 kt schwer. Beginn Datennahme 2007. 9 km KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Quantum Chromo Dynamik (QCD) Quantum Chromo Dynamik: Eichtheorie, Quarks mit 3 Farben (r,g,b) und 8 Gluonen (Farbe + Antifarbe) Starke Kraft (hält Atomkerne zusammen) Baryonen: Proton (uud), Neutron (udd) Mesonen; Pion (ud)  Kopplungskonstante as - LHC ist QCD ! Erste LHC Ergebnisse = QCD. Großer Wirkungsquerschnitt erlaubt Studien mit wenig Daten. Fragmentation im Detektor Jets Struktur des Protons QCD: theoretische Beschreibung der Quarks + Gluonen (starke WW). Verantwortlich fuer Zusammenhalt der Quarks, Bildung von Mesonen und Baryonen (Bsp. Proton, Neutron, Pion). Alpha_s genau zu messen, How strong is the strong force? At short distances the strong force is weak and at long distances it is strong. (T.Diehl) Erste Ergebnisse vom LHC sind QCD (wenig Statistik ausreichend), z.B. Struktur des Protons, Fragmentierung (Jetproduktion) KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Elektroschwache W und Z Bosonen We Z 1983 Austauschbosonen der schwachen Kraft (W,Z) entdeckt am SPS. Nobelpreis 1984 Genaue Messung der Eigenschaften am LEP Z.Zt. Messungen bei höchsten Energien am Tevatron W/Z ist eine Standardkerze für „high pT“ Physik Ideal für Kalibration und Präzision Heute am Tevatron Entdeckung am SPS KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs Suche Aufregung bei LEP Experimentell gemessene Massen fundamentaler Teilchen: ~10-3 eV ..... 1011 eV Problem: Massenerzeugung unklar Idee: Higgs Mechanismus Aber: Masse des Higgs Teilchens nur experimentell bestimmbar Standardmodell (siehe Vortrag 1) beschreibt exp.Ergebnisse sehr gut. Aber Teilchen masselos. Gemessen kleinste Masse (Neutrino) 10^-3 eV, größte Masse (top) 180 x 10^9 eV, d.h. 12 Größenordnungen. WARUM? Nicht wissen. Populäre Theorie: Higgs Mechanismus. Kopplung der Fermionen an Higgs = Masse, erklaert EWSB Am LEP einige Ereignisse, nicht ausreichend als Entdeckung, daher Limit (Plot). LHC designed um gesamten theoretisch möglichen Bereich abzudecken. Unteres Limit LEP, oberes Limit stark (1 TeV, Higgsbreite), oberes Limit aus elektroschwachen Präzisionsfits (~200 GeV). LHC kennt die Antwort 114 GeV < mH < 1000 GeV ! KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Ist die Welt super-symmetrisch? W.de Boer at al. TeV Massenskala: neue Teilchen symmetrisch zu bekannten aber schwerer Vereinigung von Kräften in Vergangenheit erfolgreich (Magnetismus + Elekt., elektroschwache Kraft). Weiter auf „Urkraft“, Kopplungskonstanten müssen „abknicken“ (plot). erfordert Teilchen mit TeV Massen. Populär: SUSY, SUSY erklären, muss gebrochen sein, da nicht beobachtet. Am LHC beobachtbar durch Ereignisse in denen solche SUSY Teilchen zerfallen (eventdisplay), typischerweise in Jets, Leptonen und fehlenden Trans.impuls. Am LHC sichtbar durch signifikante Zerfallssignatur KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik beauty-Physik Sehr kurzlebige Teilchen  Nachweis Zerfallsvertex erfordert hohe Auflösung D0 Silizium Vertex Detektor Messung B-Lebensdauer in D0  = 1.76  0.24 (stat) ps Teilchen Meßwert B+ Masse 5280.6 ± 1.7 ± 1.1 [MeV/c2] B0 5279.8 ± 1.9 ± 1.4 [MeV/c2] Bs Lebensdauer 1.26 ± 0.20 (stat) ± 0.02 (syst) ps Zerfall Verzweigungsverhältnis D0m m ≤2.4 x 10-6 @ 90% C.L. Kurzlebig  Vertexdetektor, in CDF/D0 deshalb neu weil so wichtig Skizze oben erklärt Primär- und Sekundärvertex. Kurzlebige B-Mesonen nur über Zerfallsprodukte und Sek.vertex nachweisbar, Einige B-Mesonen/Baryonen werden nur an hadronischen Maschinen erzeugt oder in ausreichender Menge erzeugt. CDF/D0 sind die ersten die eine Reihe von Parameter messen (Lebensdauer, Masse siehe Tabelle) Bsp. Lebensdauer B länger als erwartet. Weitere Messungen an noch seltener Resonanzen erst am LHC möglich. Hier dediziertes Experiment, LHCb. KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik B-Oszillationen - Bs und Bs Überlagerungen von 2 Eigenzuständen (BH, BL), ählich wie bei Kaonen aber stärkere Oszillation. Oszillationsfrequenz Oszillationen sehr schnell  gute Zeitauflösung. Bisher noch nicht gesehen. Oszillation wie im Kaon-Sektor, aber viel stärker, da Massendifferenz zwischen Eigenzuständen größer als im Kaon Sektor. Deshalb heavy und light. Oszillation sehr schnell, deshalb noch nicht gesehen. Möglicherweise am FNAL, sicher am LHC. Starke Dominanz des top in Loop, u.a. LEP + Tevatron Nur an hadronischen Beschleunigern möglich Guter Platz für neue Physik, z.B. neue Teilchen in Schleifen KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Entdeckung des top-Quark Erst 02.03.1995 entdeckt (Tevatron). Schwerer als erwartet. mtop~180 GeV. Warum CDF Detektor top nicht sichtbar, zerfällt sofort Experimentelle Herausforderung ?! Review die Entdeckung des letzten fundamentalen Elementarteilchens, erst 1995 entdeckt. Suche begann 1977 mit B-Quark (eine Haelfte der Familie). Top auch am LEP gesucht, Vermutung ~45 GeV. Wesentlich schwerer, interessante Frage warum. Wegen dieser Masse sehr kurzlebig  schwer nachweisbar (CDF, D0). Nachweis Zerfallsprodukte, Signal/Untergrund verstehen. Graph zeigt rekonstruierte Masse (nur wenige Ereignisse aber ausreichend). Kein anderer Beschleuniger kann z.Zt. top erzeugen. http Adresse auf Discovery anouncement im FNAL magazin. CDF Detektor Phys.Rev.Lett.73 (1994) 225. KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Nächste Generation Top-Physik Experimenteller Nachweis erfordert b-tagging! DØ Produktion und Zerfall ℓ Aber auch Untergrund mit ähnlicher Signatur. Wichtige Fragen: Top einzigstes Elementarteilchen schwerer als W,Z  Test elektroschwache Kraft! Neue Physik? Top Masse: Unterschiedliche Massen gemessen 172 GeV und 180 GeV. Einfluß auf Higgs Vorhersage! Studium der Eigenschaften des top-Quarks Top entdeckt am Tevatron, aber bisher nur eine Handvoll top-Ereignisse. LHC ist top Fabrik. Top sehr schwer, kurzlebig  Nachweis der Zerfallsprodukte, leider wieder ein b (auch kurzlebig) plus Leptonen. Untergrund kann aehnliche Signatur aufweisen, Kinematik! Fragen: wegen seiner großen Masse gute Testmöglichkeiten fuer EWSB, Generation von Teilchenmassen (starke Kopplung an Higgs) oder Hinweise auf neue, schwere Teilchen. Zwei Experimente unterschiedliche Top-Masse. wegen starker Kopplung an Higgs großen Einfluß  1 Sigma top Masse = 1 sigma Higgs Masse (plot) Ausserdem background fuer viele Studien. KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Das Ende