Physik bei HERA Die Experimente H1 und ZEUS Thomas Schörner-Sadenius Uni HH, 17. Februar 2005 Fortgeschrittenenpraktikum

Übersicht HERA + Physik H1 und ZEUS Grundlagen der Physik bei HERA Warum ist HERA-Physik spannend? DESY und seine Infrastruktur Übersicht über die Experimente Internationale Kollaborationen Arbeitsorganisation H1 und ZEUS Als Student Warum Diplomarbeit in HEP? Bei HERA? Was kann man als Diplomand tun? Physik, Hardware, Software UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Elektron-Proton-Streuung Das Proton – ein komplexes Objekt UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Elektron-Proton-Streuung Das Elektron als “Sonde” neutral current - e charged current -  Ee = 27.5 GeV Ep = 920 GeV [before 1998: 820 GeV] Tiefunelastische Streuung (DIS): Q2 > 0 GeV2. Photoproduktion: Q2 = 0 GeV2 p=xP P Q2=-q2=-(k-k’)2 Proton k’(e±,) k Lepton (e±) y=Q2/sx: Inelastizität [s=Schwerpunktsenergie] x=Q2/2Pq: Anteil des Quarks am Protonimpuls (Bjorken-x) Q2: Viererimpuls-Transfer [Auflösung ~1/Q] ,Z,W UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Ein typisches Ereignis in H1 dargestellt im “Event-Display” Spurkammern Gestreutes e± H1-NC-DIS-Ereignis [Q2=4EeEe’cos2(/2)]  Lepton Proton Gestreutes Quark Struktur des Protons EM und schwache WW  QCD  Neue Physik Kalorimeter UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Elektron-Proton-Streuung Verdeutlichung von x und Q2 Q~1/=1/Auflösung Q2 hoch kleinere Strukturen UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Dynamik im Proton unter der Lupe Voll das Leben - Gluonen! 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 Partondynamik im Proton. [ QPM: F2(x) = eq2 xq(x) ] UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Elektron-Proton-Streuung Verdeutlichung von x und Q2 UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Die Struktur des Protons kleine x: mittlere x: Scaling!!! [x: Impulsanteil des Gestreuten Quarks am Protonimpuls] Feynman etc.: Punkt- foermige Partonen ohne Wechselwirkung!!! grosse x: Spannend: Beschreibt Theorie die Daten? Welche Präzision brauchen wir, um am LHC Physik zu machen? UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Die Protonstruktur – PDFs* … etwas unanschaulich … Beachte den Unterschied zwischen Valenz- und Seequarks und Gluonen! Die Angabe von (sinnvollen) Fehlern ist noch sehr neu! *PDF = parton distribution function UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Elektroschwache Theorie Erster Schritt zur “Unification” Q2 gross (NC) = (CC) [Elektroschwache Ver- einheitlichung] ,Z,W? Egal !!!! Neu: Polarisierte Strahlen! Unter- suchung der schwachen WW (W- Boson sollte nur linkshändig koppeln) Bis jetzt alle Wirkungsquerschnitte von der Theorie beschrieben! UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Die starke Weckselwirkung: QCD Die andere Kraft … … die nächste Ordnung … BGF: Boson- Gluon-Fusion s! QCD-C: QCD- Compton-Events (Transversale) Energie der Jets UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Besonders nett: s Ein (zum Glueck) universeller Parameter s ist der fundamentale Parameter der QCD (wie EM im Falle der QED). UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Physik schwerer Quarks I Komplexer wegen hoher Massen! “Open charm production” x Rest D* s+ + K- D0 “Golden D* decay” UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Physik schwerer Quarks II Beauty-Wirkungs- querschnitte nicht verstanden? Methoden: pT,rel, Impakt-Parameter, (stat. Trennung) Erstes Mal Daten durch Theorie beschrieben? UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Die Suche nach neuer Physik … noch ganz frisch: Pentaquarks uuddsKs0p+-p UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Die Suche nach neuer Physik … eigentlich das Interessanteste Leptoquarks: eq  eq [Resonanzen in inv. Masse; ~high-Q2-DIS mit e+Jet] RP-verletzende SUSY: z.B. ed  gravitino Finden wir Physik jenseits des Standard-Modells? Neue Wechselwirkungen? Zweifach geladene Higgs-Bosonen: e+ e-H++ [Ladungsvorzeichen des Leptons wechselt; 3 Leptonen im Endzustand] UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Das DESY-Umfeld Viele Beschleuniger und einiges an Geschichte Derzeit 920-GeV-Protonen auf 27.5-GeV-Positronen. Entdeckung des Gluons bei PETRA UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

HERA-Performance Im Vergleich der Jahre: Steile Lernkurve! HERA I: e+p-Streuung: 100 pb-1 e-p-Streuung: 15 pb-1 HERA II: Ziel: 1000 pb-1 bis 2006/7 UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

H1 und ZEUS Die einzigen ep-Experimente Internationale Kollaborationen mit Beteiligung von ca. 300-400 Physikern aus 14 Ländern und 59 Instituten (ZEUS). Teilchendetektoren in den Hallen Nord (H1) und Süd (ZEUS) des HERA-Rings. Vielzweckapparate (Messung von Energien und Impulsen einer Vielzahl von Teilchen über fast 4. Asymmetrischer Aufbau, da Schwerpunkt gegenüber dem Labor bewegt ist (Ee = 27.5 GeV, Ep = 920 GeV, Massen!). Datennahme seit 1992; Betrieb bis Mitte 2007 [Anmerkung: Es gibt zur Zeit nicht viele laufende HEP-Experimente!] Nachher Besichtigung von H1 und ZEUS! UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Das ZEUS-Experiment Zwiebelschalenfoermiger Aufbau 20*12*11 Meter 3600 Tonnen Ca. 25 Komponenten e p Wechselwirkungspunkt Vertex-Detektor Nachweis der Zerfaelle langlebiger Teilchen Spurkammern Feld/Signal-Draehte (Ionisationsnachweis, Impulsmessung geladener Teilchen) Uran-Kalorimeter (Energiemessung neutraler und geladener Teilchen) Solenoid Weitere Kalorimeter Muon-Kammern UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Das ZEUS-Kalorimeter Energiemessung mit Uran Teilchen deponieren Energie in Szintillator  Licht! Licht wird mit Lichtleitern zu Photomultipliern (Sekundaer-elektronenvervielf.) gebracht Vom Photomultiplier zum elektronischen Signal electron anode vacuum dynodes Ein Barrel-Modul Kalorimeter-Geometrie UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

ZEUS-MVD Spurmessung mit 20 m Schwere Mesonen = hohe Lebensdauern  Zerfall nach ~mm! Nachweis d. Vertex  b,c-Physik. Zeus hat einen neuen Silikon-Mikrovertex-Detektor eingebaut, der der genauen Spurmessung am WW-Punkt dienen soll. Uni HH war massgeblich beteiligt ! e p Wechselwirkungspunkt 360k elektrische Kanaele im Readout! 600 Silizium-Streifendetektoren UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Arbeit in einer Kollaboration Arbeitsteilung und Teams (ZEUS) “Spokesperson” “Physics Chair” “Run Coordinator” “wise men” “conveners” Aufteilung 1: Institute (z.B. UHH) Gutachter der (Diplom-)Arbeiten; - oft mehrere Leute an einem Thema interne Diskussion Aufteilung 3: Physik-Gebiet (z.B. QCD) - Regelmaessige Treffen derer, die auf einem Gebiet arbeiten; - Interner Review-Prozess “coordinators” Aufteilung 2: Subdetektor (z.B. Kalorimeter) - Oft quer durch die Institute. - Jeder muss fuer das Experiment arbeiten. - Hardware-Erfahrung wichtig UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Diplomarbeit: Warum Teilchenphysik? Vielseitige Umgebung Physik, Detektoren, Computing  Fundamentale Fragen, moderne Technologien  Präzise Messungen Internationale Kollaborationen  Teamarbeit in kleiner Gruppe  enge Betreuung, relevante Ergebnisse  soziale Erfahrung Meetings, Vorträge, Schulen, Konferenzen In Forschung, Wirtschaft, Industrie Kommuni- kation Gute Zukunfts- Perspektive UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Diplomarbeit: Warum HERA? Laufende Experimente Alle Aspekte experimenteller Teilchenphysik Interessante Ergebnisse, Potential lange nicht ausgeschöpft!  HERA-II-Daten mit Spannung erwartet !!! Relevant für zukünftige Experimente (LHC!). Hardware und Software nicht nur entwickeln, sondern unter teilweise harten Bedingungen benutzen Technik oft an der Entwicklungsfront: Halbleiter-Detektoren, Elektronik, OO-Software. Bisherige Daten Technik UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Als Diplomand … … eigentlich alles machen: …kann man …soll man Physikanalyse von HERA-Daten [bahnbrechende Ergebnisse kann man aber nicht versprechen ;-) ] Hardware-Entwicklung HERA/CMS - Software-Entwicklung HERA/CMS spezifische Interessen können i.A. leicht berücksichtigt werde sich umschauen sich qualifizieren und Spass haben. sich eine Gruppe / einen Betreuer aussuchen in 12 Monaten fertig sein. …soll man …muss man UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Themen (locker assoziiert) Inbetriebnahme des ZEUS-MVD (ZEUS) Inbetriebnahme des Forward Trackers (ZEUS) Inbetriebnahme des Fast Track Triggers (H1) Inbetriebnahme der neuen Lumi-Systeme Konstruktion und Test von CMS-Detektoren… Entwicklung objektorientierter Software (H1) Analyse von Ereignissen mit schweren Quarks Suche nach neuer Physik (Supersymmetrie) Messung der PDFs bei hohen x in Jet-Ereignissen Typischerweise Mischung von Analyse, Software- und Hardware-Betreuung. UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Diplomarbeit ist anders … … als das Studium! Stark arbeitsteilige Organisation der Arbeit in kleinen Teams Experimenteller Ansatz [eine gewisse Frustrationstoleranz ist nötig ;-) ] Zahlreiche Hardware-Aufgaben [Teststand, Elektronik, Logistik, …] Anwendung von Software/Computing Zur Analyse grosser Datenmengen Zur Simulation / Lösung komplexer Probleme Programmierkenntnisse vorteilhaft aber nicht zwingend [Fortran, C, C++, paw, ROOT, JAVA, CGI, PERL, PYTHON, …] Interesse an Teilchenphysik [Theorie, Modelle, Nachweis]! UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Kontakte … auch jeder Diplomand/Doktorand ZEUS [http://www-zeus.desy.de] Prof. R. Klanner, Tel. 8998-3023, 1c/379, Robert.Klanner@desy.de Prof. P. Schleper, Tel. 8998-2957, 67b/24, Peter.Schleper@desy.de Dr. T. Schörner-Sadenius, Tel. 8998-2954, 67b/22, Thomas.Schoerner@desy.de H1 [http://www-h1.desy.de] Prof. B. Naroska, Tel. 8998-3804, 1c/282, Beate.Naroska@desy.de .. Und jeder Diplomand oder Doktorand bei H1 und ZEUS! UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA

Zusammenfassung HERA Bis 2007 Arbeits- markt betreibt relevante und interessante Physik Vermessung des Protons; EM, EW, QCD Suche nach neuer Physik Vorbereitung auf pp-Physik bei LHC HERA Bis 2007 (und danach) werden Physiker gesucht, die Daten auswerten die Detektoren mitbetreiben [Schichten, Verantwortung für Komponenten] die Arbeit in einer internationalen Kollaboration geniessen [Qualifikation!]. Arbeits- markt Gibt es arbeitslose Hochenergiephysiker? - Banken, Versicherungen, Beratungen F+E in der Industrie und Selbstaendigkeit UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA