Jenseits der Antimaterie Neue Teilchenphysik am LHC Peter Schleper Universität Hamburg Göttingen, 1.12.2005 Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 1

Das Standard Modell: Teilchen und Kräfte Materie-Teilchen: 1. Generation Entdeckungen 2. Generation: Muon, Strange Quark Vorhersage: Neutrino,Charm 3. Generation: Tau, Bottom Vorhersage: Neutrino, Top …wegen Symmetrie zur 1.Generation Naturkräfte: Elektromagnetismus Schwache Kraft Starke Kraft Gravitation ??? Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 2

Grundbausteine der Natur Austauschteilchen Materieteilchen Warum diese el. Ladungen ? e- : -1 Proton: +1 Warum diese Massen ? Warum Unterschied für Fermionen und Bosonen ? Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 3

Materie und Antimaterie Relativität und Quantentheorie Einstein 1905: DIRAC 1928 : Quantentheorie: Teilchen  Wellen-Gleichungen Elektron hat Spin ½: zwei Freiheitsgrade Relativistische Quantentheorie: Lösung nur für 4 Freiheitsgrade Masse ist eine Form von Energie Aus Energie kann neue Masse entstehen E2 = m2c4 + P2 c2 E = + (m2c4 + P2 c2)1/2 _ Elektron + ??? Anti-Elektron Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 4

Antimaterie: Entdeckung Höhenstrahlung: Teilchen aus dem Kosmos Nachweis durch Ionisation in Nebelkammer (Kondensation) 1933: e+ e- e+   e+e- E: Energie aus Reichweite und Ionisation: ~20 MeV P: Impuls und Ladung aus Krümmung im B-Feld Masse wie Elektron, aber Ladung positiv Anti-Elektron = Positron Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 5

Antimaterie II Höhenstrahlung Photo einer Teilchenreaktion Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 6

Vorhersagen Symmetrie der Natur Lorentztransformationen lassen die Natur (physikalische Experimente) unverändert neue mathematische Struktur der Physik: Dirac Gleichung erlaubt nur eine (wenige) Lösungen: Dirac: 2 Lösungen mit 4 Freiheitsgraden Vorhersage neuer Natur-Phänomene: Teilchen und Antiteilchen mit Spin 1/2 Rel. QM  Antimaterie Eich-Symmetrie  Kräfte und Austausch-Teilchen Spin-Symmetrie  Supersymmetrische Teilchen Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 7

Standard-Modell der Teilchen und Kräfte Vorhersage von Z,W,Higgs, Selbstwechselwirkung Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 8

Schwache Wechselwirkung und Higgs Alle Experimente stimmen mit dem Standard Modell überein !! …falls das Higgs existiert und MH < 250 GeV LEP Beschleuniger: e+e-  …. Präzisionstest der Teilchenphysik Z0 W+W- Z0 Z0 Sonst: Widerspruch Alternativen ???? Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 9

Starke Wechselwirkung im Proton HERA ep Beschleuniger Momentaufnahme der Quantenfluktuationen im Proton ZEUS Experiment Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 10

Impuls-Bild des Protons Gluonen Valenz-Quarks (Quantenzahlen) einzelnes Quark/Gluon trägt fast gesammte Energie See- Quarks X = PQuark, Gluon / PProton Starke Wechselwirkung sagt Quark-Gluon & Gluon-Gluon Wechselwirkung korrekt vorraus Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 11

Extrapolation des Standard-Modells aelm, aschwach, as hängen durch Quanten-Korrekturen von Energie ab ! Supersymmetrie Standard Model Supersymmetrie Alpha_s figure Vereinheitlichung der Naturkräfte durch Supersymmetrie ?! bei 1016 GeV Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 12

Spin / Supersymmetrie die neue Teilchen-Welt 1/2 Leptonen (e, ne, …) Quarks (u, d, …) 1 Gluonen W Z0 Photon (g) 2 Higgs Graviton Spin Standardteilchen Sleptonen (e, ne, …) Squarks (u, d, …) Spin Superpartner 1/2 Gluinos Wino Zino Photino ( g ) 3/2 Higgsino Gravitino ~ Andere Hinweise auf SUSY ? Entdeckung ? Leichtestes SUSY Teilchen ist stabil. Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 13

Dunkle Materie im Kosmos Gravitation ~ 1/r2  Rotationskurven (Keppler) Galaxie NGC6503 Sonnensystem Neue Form unsichtbarer Materie: “ Dark Matter = SUSY Teilchen ? Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 14

LHC: Large Hadron Collider CERN: Europäisches Zentrum für Teilchenphysik in Genf Proton-Proton Kollisionen bei 14000 GeV (bisher 2000 GeV) Faktor 1000 mehr Kollisionen als bisher Start: 2007 Jetzt: Bau der Experimente Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 15

CMS Experiment: Compact Muon Solenoid Deutsche Gruppen: D-CMS RWTH Aachen Uni. Hamburg Uni. Karlsruhe 38 Nationen 171 Institute 2250 Physiker Wachstum in 2005: 16 neue Institute Myon Driftkammern Silicon Strip Tracker Ziele: Entdeckung des Higgs und der Supersymmetrie Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 16

Commissioning CMS with Cosmics CMS Myon System CMS Cosmic Myons Commissioning CMS with Cosmics Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 17

Silizium Spur-Detektor Streifen Detektor: 220 m2 Si, 15000 Module 10 Mill. Streifen TEC R3 Modul Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 18

Supersymmetrie - Simulation bei LHC 1 MB je Kollision alle 25 ns  Filter: Faktor 106  2 Petabyte Daten / Jahr  109 Ereignisse  Simulationen Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 19

Entdeckung der Supersymmetrie Komplexes Massenspektrum: Schlüssel fuer Brechung der Supersymmetrie Entdeckung von SUSY-Quarks bis zu Massen von 3 TeV Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 20

Indirekte Hinweise auf SUSY Genaue Messungen von Mt, MW erlauben Ausschluß des SM und Bestätigung von SUSY ?… Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 21

Zukunft: e+e- Linear Collider (ECMS=1000 GeV) Energie-Schwelle Higgs: e+e-  Z H Ecms > mZ + mH SUSY: paarweise sleptonen, charginos Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 22

An der GUT Skala… Physik bei 1016 GeV: Extrapolation der gemessenen SUSY-Massen zu hohen Energien: Vereinheitlichung der fundamentalenParameter der Natur: Kopplungen, Massen, Mischungswinkel Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 23

Extrapolation der Naturgesetze Kosmologie und Teilchen Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 24

Entdeckungen bei LHC Meine persönliche Meinung: SUSY als theoretisches Konzept ist überzeugend: Entdeckung schon sehr früh bei LHC Higgs: experimentell deutlich schwieriger Entdeckung dauert 2-3 Jahre… falls es existiert Überraschungen: durchaus möglich !!! Large extra dimensions neue Wechselwirkungen Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 25

Experimenteller Urknall Higgs Supersymmetry Extra Dimensionen Schwarze Löcher E=mc2 Materie – Antimaterie - Supermaterie Erzeugung Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 26

Backup: Das CMS-Experiment Compact Muon Solenoid – 100m unter der Erde CMS-Surface-Area LHC-Tunnel CMS-Halle Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 27

Backup: Higgs Entdeckung bei CMS gg  H   Massenverteilung der - Paare H Untergrund subtrahiert Ziel von CMS: Eindeutige Entdeckung des Higgs im gesamten Massen - Bereich Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 28

Backup: QCD - Dynamik des Protons unter der Lupe Hohe Energie: ep-Streuung ~ eq-Streuung! F2 beschreibt dynamische Struktur des Protons Q2: (Impulsübertrag)2 von e auf p [~1/Q] Elektron (Q2) x Proton HERA: Ideales Labor zur Untersuchung der Fluktuationen der Quantenfelder im Proton Gluonen und See-Quarks [ QPM: F2(x) = eq2 xq(x) ] Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 29

Backup: Higgs Zerfälle am ILC Große Genauigkeit für Test des SM ZHH Kopplung ! Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 30

Backup: Theorien der Physik Energie, Temperatur, -Zeit Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 31