 Leptonen: Lepton Masse Lebensdauer e  1 eV   190 keV   18,2 MeV e 511 keV  105,7 MeV 2,197 s  1,777 GeV 0,291 ps  1.1. Bild 1

 Quarks: Quark Masse typische Lebensdauer u 1,5 – 3,3 MeV c 1,3 GeV 1.1. Bild 2

Bewegungsrichtung des Films Der Aharonov-Bohm-Effekt: Spule Beobachtungs-ebene (Film) Elektronen-strahl  HV  HV  HV Strom konstant Strom wird gleichförmig erhöht Bewegungsrichtung des Films Strom konstant Experiment: Möllenstedt und Bayh, 1962 1.2.1. Bild 1

QCD QFD QED 1.2.4. Ausblick Wechsel-wirkung klassisch Quantenfeldtheorie allg. Relati-vitätstheorie (Einstein) Gravitation QCD stark TOE: Theory of Everything Große Vereinheitlichung GUT schwach QFD elektrisch Elektro-dynamik (Maxwell) QED magnetisch heutiger Stand 1.2.4. Bild 1

-Streuung 1.3. Experimentelle Ansätze a) Z-Sektor z. B. LEP (CERN), SLC, PEP (SLAC), PETRA (DESY) Tevatron (FNAL) LHC (CERN) -Streuung (CERN, FNAL, Kernreaktoren,...) mit HERA (DESY) 1.3. Bild 1

b) W-Sektor mit LEP (CERN) Tevatron (FNAL) LHC (CERN) HERA (DESY) mit ( ) LEP, CLEO, ARGUS, BES, BaBar, Belle (single top production) LHC (CERN) 1.3. Bild 2

etc. c) Gluon-Sektor LEP, SLC, PEP, PETRA Tevatron (FNAL) LHC (CERN) mit HERA (DESY) etc. 1.3. Bild 3

etc. d) Massen-Sektor Higgs: Quark-Mischung und CP-Verletzung LEP Tevatron (FNAL) LHC (CERN) Quark-Mischung und CP-Verletzung BaBar (SLAC), Belle (KEK) LEP (CERN), SLC (SLAC) Tevatron (FNAL) LHC (CERN) etc. 1.3. Bild 4

Neutrale Ströme: Gargamelle Blasenkammer (CERN) 3.1. Bild 1

Erstes Z-Boson im UA1-Detektor (CERN) http://cdsweb.cern.ch 3.1. Bild 2

Verteilung der invarianten Di-Lepton-Massen Energiedeposition im EM-Kalorimeter Z Untergrund http://cdsweb.cern.ch 3.1. Bild 3

Gezeiteneffekte der LEP-Strahlenergie Vollmond Halbmond 3.2.3. Bild 1

 e  p, , K n, KL  Prinzip von Großdetektoren Modularer Aufbau Spurdetektor teilweise im B-Feld elektromagnetisches Kalorimeter Myon-Spurkammern Silizium-Vertexdetektor Teilchen-ID (Cherenkov,TRD) hadronisches Kalorimeter  e  p, , K n, KL  Innen Außen 3.2.3. Bild 2

ein Diagramm pro Neutrinoflavour mit 2m  MZ Selektion: Z, e e e,, e,, Unsichtbar: Z e e ein Diagramm pro Neutrinoflavour mit 2m  MZ 3.2.3. Bild 3

elektromagnetisches Kalorimeter Spurkammern hadronisches Kalorimeter Myon-Kammern zwei Spuren jeweils mit Impuls MZ2 minimal ionisierende Spur durch beide Kalorimeter Signale vom Durchgang durch die Myon-Kammern 3.2.3. Bild 4

zwei Spuren jeweils mit Impuls MZ2 zwei e.m. Schauer jeweils mit Energie MZ2 3.2.3. Bild 5

Mittlere -Zerfallsstrecke: 2mm 3.2.3. Bild 6

einzelne Leptonen mit Impuls  MZ2 fehlende Energie kleine Multiplizität einzelne Leptonen mit Impuls  MZ2 Jet-artige Strukturen mit 15 Hadronen und Gesamtimpuls  MZ2 3.2.3. Bild 7

zwei (oder mehr) Jets von Hadronen Impulssumme  0 Energiesumme  ee-Schwerpunktsenergie 3.2.3. Bild 8

Z-Resonanzkurve und totale Breite 3.2.3. Bild 9

Z-Partialbreiten 3.2.4. Bild 1

Selektion: Sekundärvertizes 3.2.4. Bild 2

3.2.4. Bild 3

Z-Resonanzkurve für verschiedene N 3.2.5. Bild 1

3.3.1. Bild 1

Sensitivität der Asymmetriefaktoren auf den Mischungswinkel 3.3.2. Bild 1

Winkelverteilung für Myon-Paare 3.3.2. Bild 2

Messung der Rechts-Links-Asymmetrie am Linear-Collider SLC 3.3.2. Bild 3

Messung der -Polarisation 3.3.2. Bild 4

Winkelabhängigkeit der -Polarisation 3.3.2. Bild 5

Z-Kopplungen an Leptonen 3.3.2. Bild 6

Winkelasymmetrie für bb- und cc-Ereignisse 3.4.2. Bild 1

Z-Kopplungen an Quarks Charm Bottom 3.4.2. Bild 2

3.5. Bild 1

Eines der ersten W-Bosonen im UA1-Detektor (CERN) 4.1. Bild 1

mT-Verteilungen von CDF, D0 (Tevatron) Präzisionsmessung von MW 4.2.1. Bild 1

Präzisionsmessung der W-Masse als Test der Schleifenkorrekturen im Standardmodell 4.2.2. Bild 1

Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix Unitarität 4.3.1. Bild 1

W W W W 4.3.1. Bild 2

Allgemeine Lorentzstruktur für Fermionströme Lorentz-Trafo eines Vierervektors: a) Eigentliche LT: Boost Drehung b) Uneigentliche LT: Zeitspiegelung Raumspiegelung 4.4.3. Bild 1

 1) Skalar (1): 2) Pseudoskalar (1): 3) Vektor (4): 4) Axialvektor (4): 5) Tensor (6): mit vollständige Basis des ℂ-Vektorraums der komplexen 44-Matrizen 16 linear unab-hängige komplexe 44-Matrizen  4.4.3. Bild 2

4.4.3. Bild 3

4.5.1. Bild 1

5.1.3. Bild 1

5.1.3. Bild 2

Tiefunelastische Streuung, neutraler Strom (,Z) 5.1.5. Bild 1

Tiefunelastische Streuung, geladener Strom (W) 5.1.5. Bild 2

Tief-unelastische ep-Streuung elektromagnetisch schwach Vereinigung bei 5.1.5. Bild 3

Die starke Kopplungskonstante 5.2. Bild 1

Die Farbfaktoren der QCD-Eichgruppe 5.3. Bild 1

Higgs-Mechanismus im Standardmodell Lokal invariant unter SU(2)LU(1)Y Spontane Symmetriebrechung für 2  0 6.1.2. Bild 1

Spontane Symmetriebrechung Vakuum: gebrochen gebrochen ungebrochen 6.1.2. Bild 2

Eichfixierung – Eliminierung der Goldstone-Bosonen Symmetrie-Generator (bzw. Linearkomb.)  Higgs-Bosonen  Goldstone-Bosonen Feldquanten 6.1.2. Bild 3

6.1.3. Experimentelle Untersuchung des Higgs-Sektors ( ab jetzt: H   ) H e e Higgs-Erzeugung bei LEP: LEP 1: ee ; LEP 2: ee ; H e e  wichtigster Kanal H e e  H e e  6.1.3. Bild 1

Suche bei LEP 1&2: H langlebig (Flugstrecke ≳1m) H e,  e,  WW H e,  e,  Leptonen vom Z bzw. Z H verlässt Detektor  fehlende Energie WW H e e fehlende Energie von Sekundärvertex von me e  mH 6.1.3. Bild 2

H kurzlebig, Zerfall  am Hauptvertex fehlende Energie von m2-Prong  mH   WW   K K Higgs  2-Prong WW fehlende Energie von Monojet von H  q q mit q  s,c,b 6.1.3. Bild 3

b-Jet-Signaturen (Sekundärvertizes, Leptonen) dominiert durch LEP 2 2 Leptonen von 2 b-Jets von b-Jet-Signaturen (Sekundärvertizes, Leptonen) WW Resultat: 6.1.3. Bild 4

Ausschluss-Bereich vom Tevatron Globaler Fit an alle elektroschwachen Observablen mit Higgs-Masse als freier Parameter Direkte Grenze von LEP 2 Ausschluss-Bereich vom Tevatron 6.1.3. Bild 5

Higgs-Erzeugung am LHC: 6.1.3. Bild 6 Higgs-Erzeugung am LHC: LHC: pp bei (ab 2010), (ab 2015) g H Gluon-Fusion (dominant) Vektorboson-Fusion H q W, Z begleitende Produktion H Higgs-Strahlung g t t - Fusion

Higgs-Verzweigungsverhältnisse vs. Higgs-Masse 6.1.3. Bild 7

Wichtigste Higgs-Zerfallskanäle am LHC:  H mH ≲ 150 GeV: mH ≳110 GeV H H mH  110  200 GeV 6.1.3. Bild 8

Ausgeschlossen: mH  111–122 und mH  131–559 GeV Kombinierte ATLAS-Grenzen auf ? Ausgeschlossen: mH  111–122 und mH  131–559 GeV 6.1.3. Bild 9

Entdeckung eines neuen Bosons (Juli 2012): ATLAS CMS  Neues Boson mit Spin 0 oder 2 bei 125-126 GeV! 6.1.3. Bild 10

Bestätigung des Signals! ATLAS CMS Bestätigung des Signals! 6.1.3. Bild 11

Bestätigung des Signals! ATLAS CMS Bestätigung des Signals! 6.1.3. Bild 12

Ja, im Rahmen der noch großen Fehler… Kompatibel mit Higgs-Bosons des Standardmodells? ATLAS CMS Ja, im Rahmen der noch großen Fehler… 6.1.3. Bild 13

6.1.4. Ausblick Mögliche Erweiterungen: Mehrere Higgs-Dubletts oder Tripletts Mehrere geladene und neutrale Higgs-Bosonen Supersymmetrie: Felder  supersymmetrische Partner Fermion  skalare Boson Boson  Spin-½-Fermion Minimale Version der Theorie: 2 Higgs Dubletts  h H A H H skalar, CP   pseudoskalar, CP   skalar, geladen neutral Vorhersage: mh  MZ  mStrahlungskorrektur ≲ 130 GeV Partner: Spin-½-Higgsinos  Charginos & Neutralinos 6.1.4. Bild 1

✔ Mischung neutraler Mesonen: schwache WW Erzeugung Zerfall (starke WW) (schwache WW) Konzept des effektiven Hamiltoneans (nicht-hermitesch): Zerfall ✔ 6.2.1. Bild 1

 Schrödingergleichung für -Mischung wobei: wegen CPT-Symmetrie 6.2.1. Bild 2

Oszillationsparameter für -Mischung 6.2.1. Bild 3

Messung der -Mischung 6.2.1. Bild 4

Entdeckung der CP-Verletzung: 6.2.2. Bild 1

Zerfallsrate neutraler Kaonen als Funktion der Zeit Interferenzterm extrahiert aus a) 6.2.2. Bild 2

asymmetrischer Collider ee-B-Fabrik: BaBar (SLAC), (Super-)Belle (KEK) Zukunft: SuperB (?) bei Rom (?) e e WW 9,0 GeV 3,1 GeV t messbar Lorentz-Boost asymmetrischer Collider Vorteil: Sehr einfacher Endzustand Herausforderung: Extreme Luminositäten erforderlich heute Routine: Zukunft: 6.2.2. Bild 3

Hadronische-B-Fabrik: LHCb am LHC (seit 2010) b-Hadron  Signalzerfall b-Hadron  Zerfall  Flavour-„Tag“ Vorteil: tot riesig; ; ultimative Statistik Herausforderung: komplizierter Endzustand anspruchsvoller Trigger 6.2.2. Bild 4

6.2.2. Bild 5

7.1.3. Die PMNS-Mischungsmatrix Pontecorvo-Maki-Nahagawa-Sakata A) Dirac-Neutrinos Erzeugung durch geladene Ströme: : Geladene Leptonen (e, , ); unterscheiden sich nur durch Masse  WW-Zustände  Massen-Eigenzustände : Neutrino-Flavour allein durch begleitendes Lepton definiert  Flavour Zustände   Massen-Eigenzustände k Flavour-EZ:    e, ,    sterile Neutrinos  Massen-EZ: k k  1, 2, 3   4, 5, 6, …, N  Unitäre Transf.: U  PMNS-Matrix: 7.1.3. Bild 1

Parameterzählung analog CKM-Matrix: reelle Drehwinkel k j , k  j komplexe Phasenfaktoren ei (Phasen ) Freie Wahl der Phasen der Fermionfelder: unabhängige Phasendifferenzen k   unabhängige Phasen k,  7.1.3. Bild 2

Parameter der PMNS-Matrix: reelle Drehwinkel k j , k  j komplexe Phasenfaktoren ei (Phasen ) Phasenfaktoren absorbierbar in Fermionfeldern komplexe Phasenfaktoren Beispiel N3: 3 Drehwinkel, 1 Phase Drehung um 3-Achse: R1212 Drehung um 2-Achse: R1313 Drehung um 1-Achse: R2323 Phasenfaktor: Eine mögliche Parametrisierung: 7.1.3. Bild 3

Ausgeschriebene PMNS-Matrix für N3 (Dirac-Neutrinos):  7.1.3. Bild 4

N  1 zusätzliche Majorana-Phasen! B) Majorana-Neutrinos Massenterm ~ Phasen für Majorana-Neutrinos nicht frei wählbar! komplexe Phasenfaktoren ei (Phasen ) Phasenfaktoren absorbierbar in geladenen Fermionfeldern komplexe Phasenfaktoren N  1 zusätzliche Majorana-Phasen! 7.1.3. Bild 5

Neutrino-Oszillationen Flavour steril Masse mk 7.2.1. Bild 1

7.2.3. Bild 1

3-Neutrino-Mischung Mischungsmatrix (Dirac-Anteil): Jarlskog-Invariante (Amplitude CP-verletzender Oszillation): 7.2.6. Bild 1

7.2.6. Bild 2

Amplitude der CP-erhaltenden Oszillationen: Beispiele: etc., vgl. Giunti, Kim, Table 13.1. 7.2.6. Bild 3

3-Neutrino-Oszillationen in Materie 7.3.2. Bild 1

e   - Oszillationen in Materie 7.3.3. Bild 1

Diagonalisierung: 7.3.2. Bild 2

Neue Basis: 7.3.2. Bild 3

7.1.4. Experimentelle Befunde: -Zerfall: E0 Ee Kurie-Plot K(Ee) E0m 7.1.4. Bild 1

Abbrems-Target und Signal-Szintillator Zerfall ruhender Pionen: p vom Zyklotron Target    zum Spektrometer  Veto-Szintillator Abbrems-Target und Signal-Szintillator 7.1.4. Bild 2

-Zerfall: had had im -Ruhesystem  m mhad 7.1.4. Bild 3

L  2  Majorana- Doppel--Zerfall: E2e Ist e ein Dirac- oder ein Majorana-Teilchen? Ist e ein massives Teilchen? Existieren rechtshändige e-Ströme? Normal: L  0 Neutrinolos: L  2  Majorana- E2e Endpunkts-Energie 7.1.4. Bild 4

Neutrinoloser Doppel--Zerfall auf dem Quarkniveau:   rechtshändiger geladener Strom Majoranamasse  Helizitätsflip oder andere neue Physik  stets folgt Existenz von Majorana- Effektive Majoranamasse (Mittelwert, gewichtet mit relativen Beiträgen leichter Majorana-Neutrinos): 7.1.4. Bild 5

Ausschmierung durch experimentelle Auflösung 7.4. Experimente zu Neutrinooszillationen 7.4.1. Experimentelle Ansätze Sensitivitätsbedingung für Nachweis von Oszillationen: Sensitivitätsbedingung für m2: sonst Ausschmierung durch experimentelle Auflösung nur sensitiv auf  7.4.1. Bild 1

i) DisappearanceExperimente: Quelle Detektor Fluss Q bekannt Fluss D wird gemessen ii) AppearanceExperimente: Quelle Detektor Fluss Q bekannt 7.4.1. Bild 2

Neutrino-Quellen: Kernkraftwerke atmosphärische Neutrinos innere Erde aktive galaktische Kerne Teilchenbeschleuniger unsere Sonne Supernovae -Quelle -Typen E / MeV L / km m2|min / eV2 Reaktor 110 0103 105 Beschleuniger 103105 102103 103 Atmossphäre 102104 0104 105 Sonne 0,110 108 1012 7.4.1. Bild 3

kosmische Strahlung (p) 7.4.2. Atmosphärische Neutrinos und Long-Baseline-Experimente Untergrund-Detektor ,e ,e Luftschauer Erde kosmische Strahlung (p) 7.4.2. Bild 1

mehr positive als negative -Entstehung in hadronischen Schauern mehr positive als negative Kern in Atmosphäre kosmische Strahlung Im Detektor: Signatur Erwartung: 7.4.2. Bild 2

✔ Oszillation  auf dem Weg durch die Erde -Fluss „von oben” e-Fluss wie erwartet -Fluss „von unten” zu klein 7.4.2. Bild 3

Beobachtung der LE-Abhängigkeit des -Defizits und Interpretation als  Oszillation 7.4.2. Bild 4

Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger- Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger- Experimenten ( L  250735 km ) atmosphärisch 7.4.2. Bild 5

7.4.3. Solare Neutrinos und Reaktor-Neutrinos Haupt-Fusionsreaktion in unserer Sonne: Ethermisch  Solarkonstante:  Neutrinosfluss auf der Erde: Detailliertes Modell: Standard-Sonnen-Modell SSM 7.4.3. Bild 1

Reaktionen mit e-Produktion im SSM Reaktion Abk.  (cm2 s1)  Gesamtfluss bekannt mit 1,2% Genauigkeit! 7.4.3. Bild 2

Spektrum solarer Neutrinos im SSM 7.4.3. Bild 3

Experimentelle Techniken: Nachweis von Kernumwandlungen Realzeit-Streuexperimente Tieftemperaturdetektoren radiochemischer / geochemischer Nachweis (Schwer-)Wasser-Target  hohe Energieschwelle Flüssigszintillator-Target  niedrige Energieschwelle Einheit für den gemessenen Neutrinofluss: SNU (Solar Neutrino Unit) 1 SNU  1036 -Einfänge pro Sekunde und Targetkern 7.4.3. Bild 4

Resultate für solare e-Flüsse auf der Erde Reaktion Schwelle Fluss SSM-Vorhersage 37Cl  37Ar 814 keV 2,6 SNU 8,0 SNU 71Ga  71Ge 233 keV 70 SNU 125 SNU e e  e e 57 MeV 2,35106 cm2s1  8B   5,7106 cm2s1 233 keV 814 keV Klares Defizit von solaren Elektron-Neutrinos bei allen Energieschwellen  e-Oszillation 5 MeV 7.4.3. Bild 5

Direkter Nachweis der solaren eOszillation Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Target: D2 O (schweres Wasser) Schwellenenergie: 1-2 MeV  X exklusiv von 8B  8Be e e  Reaktionen: Charged Current (CC): Neutral Current (NC): Elastic Scattering (EC): e e W n p X Z n,p p,n e X Z e e W 7.4.3. Bild 6

Lösung des solaren Neutrino-Problems Vorhersage SSM 7.4.3. Bild 7

Bestätigung: KamLAND-Experiment mit von Kernkraftwerken ( L  1001000 km ) 7.4.3. Bild 8

T2K T2K 7.4.4. Erste Messungen von 13 Long-Baseline-Experimente: -Quelle  e-Appearance T2K T2K far detector 7.4.4. Bild 1

MINOS 735 km 7.4.4. Bild 2

Daya Bay (China) Reaktor-Experimente: e-Quelle  e-Disappearance Photo:IHEP 7.4.4. Bild 3

RENO (Korea) 7.4.4. Bild 4

Double Chooz (Frankreich) Globaler Fit aller Experimentellen Daten: 7.4.4. Bild 5

7.4.5. Zusammenfassung Atmosphärische Neutrinos Long Baseline -Exp. Solare Neutrinos Reaktor-Neutrinos Linien: Ausschlussgrenzen Flächen: Messungen 7.4.5. Bild 1

Spektrum der Neutrino-Masseneigenzustände   1 2 3 oder „invertiert”: 7.4.5. Bild 2