Experimentelle Methoden der Teilchenphysik - Das CMS-Experiment Rundgang durch ein Experiment der Hochenergiephysik Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück Peter Schleper Universität Hamburg Winter-Semester 2004/05

Einleitung und Lebenslauf der Teilchenphysik Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück Peter Schleper Universität Hamburg Winter-Semester 2004/05

Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS Vorlesung 1 Einleitung in die Vorlesung Worum es geht: CMS und LHC Teilchenphysik heute – wo stehen wir? `Lebenslauf’ der Teilchenphysik Was sind die aktuellen Fragen? Probleme? Warum LHC? Warum CMS? CERN und das LHC-Projekt CERN: Geschichte, Organisation, Beschleuniger Das LHC-Projekt We proudly present: CMS WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Einleitung - Die Vorlesung Die Vorlesung soll … Die Bedeutung der neuesten Generation von Experimenten der Teilchenphysik verdeutlichen Stand der Forschung (grob), Motivation Erwartungen an die Experimente Anhand eines konkreten Beispiels (CMS) die Organisation und Durchführung eines Experiments erläutern Kollaboration Detektor Datennahme Das oft theorielastige Studium durch praxisnahe Einblicke in die experimentelle Wirklichkeit erweitern `saubere’ Theorie gegen `dreckige’ Praxis Bei den Teilnehmern die Begeisterung für die Hochenergiephysik wecken Hochenergiephysik ist ein sehr breites Feld! Wir sind ganz tolle Diplomarbeitsanleiter! WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Die Vorlesung Diese Vorlesung kann und soll nicht … In die theoretischen Grundlagen der Teilchenphysik einführen. Quantenfeldtheorie, Eichtheorien, Standard-Modell … Den aktuellen Forschungsstand auch nur eines Teilgebietes der Teilchenphysik im Detail aufzeigen. QCD, Elektroschwache WW, Supersymmetrie, Neutrinos … Details der Detektor- oder Beschleunigerphysik darlegen Auch wenn wir viel über den Detektor sprechen werden. Für alle diese Aspekte der Teilchenphysik gibt es Spezial-veranstaltungen, die aber keine Voraussetzung für die Vorlesung sind – das allernötigste wird jeweils geliefert. Bitte nachfragen – es ist sehr schwer, Ihre Vorkenntnisse richtig einzuschätzen – und jeder wird ein anderes Vorwissen haben. WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Die Vorlesung … soll Ihre Vorlesung sein! Sie können und sollen im zeitlichen Rahmen die Inhalte durch Fragen oder Wünsche mitbestimmen. Wir brauchen Ihr Feedback bzgl. Inhalt und Präsentation – nur mit Ihrer Hilfe können wir besser werden. Nutzen Sie die Anregungen, die diese Vorlesung aufwirft Fragen, Literaturangaben, weitere Veranstaltungen Weitere Ausrichtung des Studiums Alle Vorlesungen finden Sie im Web unter: www.desy.de/~schorner/lehre/ws0405/cms.vorlesung.html WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Worum es geht: LHC Large Hadron Collider CERN WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Worum es geht: LHC Large Hadron Collider WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Worum es geht: CMS Compact Muon Solenoid Eines von ~2 Hochenergiephysik-Experimenten am Proton-Proton-Speicherring LHC des CERN in Genf daneben noch ATLAS (und LHCb und Alice) ‘Compact’: 10  10  15 m3, 12000 Tonnen, 2000 Leute - aber klein im Vergleich zu ATLAS ‘Muon’: Fokus auf Myon-Nachweis – wichtig z.B. für Higgs-Suchen oder SUSY-Signaturen. - aber alle Komponenten müssen extrem gut sein. ‘Solenoid’: Magnetfeld der Stärke 4 T aus Spule - zur Messung des Impulses geladener Teilchen Acronyme ueberall: Mal Acronyme, mal Namen fuer Beschleuniger, Detektoren. Vor allem Frauennamen: Petra, Doris, Tasso, HERA, Zeus, Jade, OPAL, … Wenn hier schon viele unbekannte Begriffe: KeinProblem. Sie werden alle erklaert: Speicherring, Detektor + Leute = Experiment, Muonen, LHC = Large hadron collider, Hadron = ? Warum Spule und Magnetfeld …. Nicht leicht, einen Detektor als ganzes zu beurteilen, viele Komponenten, Staerken, Schwaechen … Alle Details später! WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Worum es geht: CMS Compact Muon Solenoid WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Worum es geht: CMS Compact Muon Solenoid WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Worum es geht: CMS … und die Konkurrenz: ATLAS WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Gliederung Das ist die Idee, aber wir sind flexibel. Einleitung (TSS) -- Teilchenphysik vor LHC – wo stehen wir? -- CERN und das LHC-Projekt. Grundlagen der Beschleunigerphysik (TSS) -- Realisierung von Beschleunigern -- LHC und die CERN-Beschleuniger Das CMS-Experiment 1 (GS) -- Die CMS-Kollaboration -- Spurkammern und Kalorimeter Das CMS-Experiment 2 (TSS) -- Muon-Kammern -- Kalibration -- Trigger und Datennahme (ATLAS!) Das CMS-Experiment 3 (GS) -- Betrieb, Datenauswertung, Computing Physik des LHC: Grundlagen und Theorie (TSS) -- von PDFs, Wirkungsquerschnitten, Monte Carlos, Ordnungen und Loops etc. WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Gliederung Die zweite Hälfte Physik des Standard-Modells am LHC (GS) -- QCD und elektroschwache Wechselwirkung Physik schwerer Quarks am LHC (TSS) -- charm und beauty -- top-Physik Das Higgs-Boson des Standard-Modells (GS) Erweiterungen des Standard-Modells (GS) -- Supersymmetrie -- Vereinheitlichte Theorien -- … und Exotika … … und nach dem LHC? (Prof. Peter Schleper) -- Linearbeschleuniger -- Myon-Beschleuniger -- kosmische Beschleuniger Besuch bei ZEUS / im HERA-Kontrollraum / beim Teststrahl Evtl. Übersicht: Die Ergebnisse von LEP und Tevatron Anmerkung: Zeit pro Vorlesung ist schwer einzuschaetzen – daher also evtl. Mal 10 Minuten frueher fertig, oder 10 spaeter. Oder aber wir ziehen Stoff aus einer in die naecshte Vorlesung. Fragen ectl. Erst in der naechsten Vorlesung! WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Die Vorlesenden … damit Sie wissen, wer vor Ihnen steht Prof. Peter Schleper: Professor für Teilchenphysik Diplomarbeit Frejus-Experiment Doktorarbeit/Postdocs bei H1 (HERA) “H1 Physics Coordinator” Leiter der CMS-Gruppe der UHH Dr. Georg Steinbrück: Wissenschaftlicher Mitarbeiter PhD und PostDoc am D0-Experiment (Tevatron,USA) jetzt zuständig für CMS-Spurkammern und Entwicklung von CMS-Analysen an der UHH Dr. Thomas Schörner-Sadenius Wissenschaftlicher Assistent Diplom bei OPAL (LEP), Promotion bei H1 (HERA) Postdoc bei OPAL und ATLAS (LHC) jetzt vor allem bei ZEUS (HERA) Frejus ist Protonzerfall WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Atomphysik, Chemie Beginn der `Hoch’energiephysik vor 1895: Chemiker prägen den Begriff `Atom’; es gibt zahreiche optische Linienspektren, die z.B. durch empirische Regeln (Balmer) gedeutet werden. 1895 Roentgen entdeckt `seine’ Roentgen-Strahlen. 1900 Thompson: Kathodenstrahlen haben riesiges q/m  Elektron (im Gegensatz zu den Ionen, die man vorher kannte)! `Rosinen-Modell’ des Atoms: positive Materie mit eingesprenkelten Elektronen. 1900 Plancks Strahlungsformel, Energiequantelung 1905 Einstein: Korpuskelcharakter des Lichts  Photonen, Photoeffekt 1909 Rutherford: Identifikation von - und -Strahlung.  -Teilchen auf Goldfolien: Es gibt einen Atomkern – Thomson hat Unrecht! -- aber verbreitete Meinung: Kern aufgebaut aus etwas Positivem und Elektronen. 1913 Thompson et al.: Isotopie! Kern besteht aus A Protonen und A-Z Elektronen 1914 Moseley: K-Linien folgen einfachem Muster: ~0(Z-1)2  Erklärung des Periodensystems aus der Ladungszahl Z heraus! Ordnung aller bekannten Elemente und Vorhersage noch unbekannter Elemente. Vor 1895: Physiker glauben den Chemikern ihren Atombegriff nicht. Kathodenstrahlen wurden als EM-Strahlung gedacht. Woher die Linienspektren der Chemie, die Balmer etc. fanden? Optische Spektren, deren Bedeutung vor allem Kirchhoff und Bunsen um 1860 Thompson: Keine bestimmte Groesse des Atoms. Frage: Woher kommen die Kathodenstrahlen? Aus den Atomen -> Rosinenmodell! Rutherford paper 1911, Geiger und Marsden experiment 1909 Rutherford-Exp. Widersprach Thompson-Modell. Was ist die K-Linie? Uebergang von N. Auf 1. Schale? Ja. K_alpha von 2 auf 1, K_beta von 3 auf 1 … etc. K-Kante etc. Wann tauchen Protonen auf? Moseley untersuchte X-rays verschiedener Elemente; Kathodenstrahlen sind elektronen! Stroeme durch evakuierte Glasroehren  Chemie und Periodensystem verstanden! WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Roentgen, Planck Beginn der `Hoch’energiephysik http://www.roentgen-museum.de/visuell/ maxT Planck Rayleigh Wien Planck (rot) : spektrale Energiedichte: u(nu) ~ hnu^3 / (exp(hnu/kT)-1) Rayleigh und Jeans (grün, RJ) kann nicht stimmen, weil die Kurven für große Frequenzen gegen Unendlich gehen: Ultraviolettkatastrophe. Jeder noch so kalte Körper müsste Röntgenstrahlen emittieren. Die Annahme von RJ, dass die Wahrscheinlichkeit für die Abstrahlung auf alle Frequenzen gleich verteilt ist, muss also falsch sein. P ~ nu^2 kT Wien (blau) sieht im Vergleich zu Planck recht gut aus, aber auch hier gibt es einen Haken: Für kleine Frequenzen nähert sich die Wiensche Verteilung (blau) einem Grenzwert, der auch bei beliebig hohen Temperaturen nicht überschritten wird, während RJ hier von Planck fast nicht zu unterscheiden ist. Planck’sche Strahlungsformel WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Einsteins Photoeffekt Beginn der `Hoch’energiephysik Photoeffekt: Auslösung von Ladungsträgern durch Licht. WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Rutherford und Atomphyik Beginn der `Hoch’energiephysik http://ac16.uni-paderborn.de/arbeitsgebiete/rutherford/ WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Revolution: Quantenmechanik Auf dem Weg zum modernen Atom 1913 Bohr: halb-klassisches Atom-Modell mit Ad-Hoc-Annahmen erlaubt Vorhersagen des Atomradius. Aber andere Probleme: Warum ist das Atom stabil – das beschleunigte Elektron müsste Energie laufend abstrahlen? 1920 Rutherford schlägt hypothetisches Neutron als Kernbauteil vor 1924-27: de Broglie, Heisenberg, Dirac, Schrodinger: Quantenmechanik -- Problem der Elektronenhülle reduziert auf Differentialgleichungen (Dirac-Gleichung) -- Atom also bis auf den Kern verstanden. -- Kern kann keine Elektronen enthalten, da diese aufgrund der Unschärferelation dann riesigen Impuls haben müssten! 1926 Das 147N-Problem!  Enthält der Kern N Neutronen und Z Protonen? 1932 Chadwick entdeckt das Neutron! Damit ist auch das N-Problem gelöst. Vorher Kern mit A Protonen und A-Z Elektronen! Bohr baut h ein – und kriegt den Radius heraus! Postulate Bohr: Klassische Gleichung sollen gelten, aber nur bestimmte Bahnen mit Enegrie E_n moeglich! Bewegung hier strahlungslos Uebergaenge durch Emission und Absorption von Photonen. Korrepsondenzprinzip (l ~ nh) nicht wirklich eines der Bohrschen Postulate. N-14-7: 14 Protonen mit Spin 0.5 und 7 Elektronen mit Spin 0.5  Kern muss Fermion sein (unterVernachlaessigung der Bahndrehimpulse), war aber nachweislich Boson! um diese Zeit waren also Spins bekannt – und Fermionen und Bosonen! Chadwick: alpha-Treilchen auf Bor oder Beryllium  es gibt durchdringende Strahlung. M ungefaehr Proton  p+e? ! Chadwick: Reaktion: X schlaegt Proton aus Paraffin, Proton hat 0.1*c  Photon (Curie, Joliot) muesste 50 MeV haben – soviel gibt es aber doch gar nicht …  Neutron, weil es schwer ist wie das Proton Atomphysik im wesentlichen verstanden! WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Bohr und Dirac Auf dem Weg zum modernen Atom Bohr’sches Atommodell Dirac-Gleichung WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Teilchenzoo, Eichtheorien QED, Feynman etc. 1930 Pauli postuliert leichtes neutrales Teilchen (`Neutrino’), um Energiespektrum des Elektrons in radioaktiven Kernzerfällen zu erklären (Beta-Zerfall npe). 1932 Anderson, Hess und andere entdecken kosmische Strahlung (z.B. Pionen) und dabei auch das Positron, dessen Existenz schon Dirac forderte. Damit gibt es (u.a.) Elektron, Positron und Photon! Also lassen sich Prozesse wie Moller-Streuung und Bhabha-Streuung oder die Lamb-Shift rechnen. Aber: Diracs Theorie verlangt Korrekturen, die dummerweise unendlich gross zu sein scheinen! Lösung durch Feynman, Schwinger, Tomonaga: Quantenelektrodynamik – eine Eichtheorie, in der bei richtiger Behandlung physikalische Observablen immer endlich sind (renormierbar)! Jetzt bekannte Teilchen: e+, e-, Photon, Proton, Neutron, (Pion, Neutrino) Teilchenzoo wächst, Eichtheorien `erfunden’! WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Neutrinos und Eichtheorien QED, Feynman etc. Linkes Bild etwas erklaeren! Bilder von Bhabha oder Moller-Steuung – welche ist welche? - bhabha ist e+e-  e+e- - moeller ist e-e-  e-e- Neutrino-Postulat Dirac-Theorie mit divergenten Ergebnissen; Eichtheorien, Renormierbarkeit WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Verwirrung noch mehr Teilchen, Strangeness 1936 Anderson et al. entdecken durchdringende Komponente mit beiden Ladungsvorzeichen in kosmischer Strahlung. Eigenschaften bis auf Masse wie Elektron/Positron  Myonen. Ebenfalls in kosmischer Strahlung: Geladene Pionen, die Yukawa 1935 als Träger der starken Wechselwirkung vorhergesagt hatte. 1947 -Zerfall in Emulsionen erkannt. Erste Nebelkammer-/Emulsionsbilder von Kaonen aus Höhenstrahlung. -/-Rätsel. 1950 Steinberger et al. produzieren neutrale Pionen in Photon-Strahlen bis zu 330 MeV auf Beryllium-Targets; die Photonen wurden von Elektronen in einem Synchrotron in Berkeley abgestrahlt. Nachweis des 0 via Zerfall in zwei Photonen. 1951 Panofsky et al. messen Reaktionen von geladenen Pionen (und auch Protonen) mit H- und D-Targets: p, d. 1953 Cosmotron bestätigt neue (`strange’) Hyperonen (=uds). Pais und Gell-Mann führen Strangeness als additive Quantenzahl ein. Ab 1955: Nachweis von Antimaterie am Bevatron und anderswo (Antiprotonen etc.) Zu 1947 sagen, dass da auch neue Detektorprinzipien ausprobiert wurden. Sagen dass die neue Teilchenwelt erst einmal unordentlich uind voller Raetsel war. So war unklar, ob neue Zerfallsmoden neue Teilchen waren oder eben wirklich nur neue Zerfalls moden. Tau-theta-Raetsel: Zwei Teilche\n mit ca. glecher Masse mit Zerfaellen in Endzustaende mit veschiedener Paritaet (2 versus 3 Pionen).  P-Verletzung!!! Tau-theta ist das K+. Nachweis erst mit Emulsionen, dan, ab 1953 (D. Glaser) mit Blasenkammenr, in denen ueberhitzte Fluessigkeiten bei Beschuss expandiert werden und sich dann Spuren abzeichnen  Spur. Ideal mit Beschleunigern, weil da die Ankunftszeit der Teilchen bekannt ist, anders als bei kosmischen Strahlen. Zwar war das Positron bekannt, aber man wusste nicht, ob andere Teilchen auch Antiteilchen haben  ab 1955 Aufregung. Blasenkammer genau: Wasserstoff oder Xenon etc. sehr geiss, dann expandiert -> ueberhitzt. Bei Teilchendurchgnag um Spur herum sieden  Bild. Erste Beobacthung von Omega und neutralen schwachen Stroemen. WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Resonanzen im Zoo Ein Muster zeichnet sich ab, eine Idee kommt auf 1952 Fermi et al. sehen Unterschied in +p und -p: (1232). 1960 Alvarez et al (Bevatron) arbeiten mit Kaon-Strahlen und finden `strange’-Resonanzen in Blasenkammern. Ordnungsmodelle: von Isospin-Symmetrie SU(2) (n,p) zu Flavour-Symmetrie SU(3) mit n,p,. 1964: Gell-Mann und Zweig: Quarks - u,d,s! Theoretische Fundierung der Flavour-SU(3). Damit auch die beobachtete Multiplett-Struktur der Zustände erklärt (JP etc.)! Aber: Keiner nahm Quarks als Teilchen ernst – 20 Jahre lang kein freies Quark beobachtet! Also nur ein theoretischer Ansatz ohne realen Gehalt? Unter Resonanzen soll es eigenltich um kurzlebige Dinger gehen, die man in pp und pip sieht. Z.B. rho etc. (tau_rho = ) Lambda = uds Delta++ = uuu Hier geht es jetzt um kurzlebige Teilchen – die bisher hatten wenigstens 10^-10 oder mehr. Jetzt: Deltat gegeben bei Heisenberg, wobei deltaE die Breite der Resonanz ist (10-200 MeV, also 10^-25 s oder so )! Bild der sigma piplusp pminusp zeigen! Jetzt werden gefunden: K*, rho, Rho z.B. in drei pionen. SU(3): qqbar zu Mesonen, qqq zu Baryonen. Formation: Nur Resonanz im Endzustand: N Produktion: Zusätzliche Teilchen im Endzustand: ppbar5 () Resonanz: Starker (schneller) Zerfall (10-25s) Teilchen: langlebige (schwach zerfallende) Teilchen (10-8s) (Lambda hat 10^-10s, Kaonen haben 10^-8). WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Blasenkammern und ihre Interpretation Grosses Bild Beispiel für die Erzeugung eines Charm-Teilchens (D*) und den anschließenden Zerfall über ein K - -Meson in der BEBC-Blasenkammer im Neutrino-Strahl des CERN-SPS. Kleines Bild links unten Erste Beobachtung des schwachen neutralen Stroms in der Reaktion in der Blasenkammer Gargamelle am CERN. Rechts unten Spiralbahn eines Elektrons in einer Blasenkammer. Die Zunahme des Energieverlustes zum Spurende hin ist gut erkennbar. Rechts oben: ganz alte Nebelkammer Charm-Ereignis im Neutrino-Strahl auf eine mit Wasserstoff gefüllte Blasenkammer. WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Resonanzen im Zoo Ein Muster zeichnet sich ab, eine Idee kommt auf CMS pp p d pp WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Schwache Wechselwirkungen Von Pauli zu Fermi 1930 Pauli postuliert Neutrino um Energiespektrum des Elektrons im Betazerfall zu verstehen. 1932 Chadwick findet Neutron 1934 Fermi: Betazerfall npe ist Punkt-Wechselwirkung; Beschreibung durch Ströme und Hamiltonians.. 1956: Lee und Yang: Theorie der Paritätsverletzung in schwachen Zerfällen (--Problem 1947!). 1957 Wu et al: P-Verletzung in 60Co-Zerfall nachgewiesen: Beta-Zerfallsrichtung eher parallel zum B-Feld (und wichtiger: zur Polarisation des Co) als antiparallel! V-A-Theorie der schwachen Wechselwirkung (Feynman et al.). 1956 Cowan und Reines benutzen Reaktor-Neutrinos für Neutrino-induzierte Reaktionen. Bald auch Neutrinos produziert durch K-Zerfälle `in flight’ am Beschleuniger  Muon-Neutrinos! Problem: Fermi ist Punktwechselwirkung! Aber V-A-Wirkungsquerschnitt steigt mit s an  Widerspruch! Unitarität verletzt? Lösung: massives W-Boson (Idee Yukawa!). Dann Kopplung schwächer um 1/MW2. Suche bei einigen GeV erfolglos! 1964 Christenson et al: CP-Verletzung im neutralen Kaon-System! Pauli wollte e-Spektrum in beta-Zefall erklaren. Wu: Beta-Zeffall des Co Noch was zu V-A? vorgeschlagen u.a. von Feynman und Gell-Man. Hat ueberlebt als die low-energy description of weak interactions. Widerspruch V-A und Fermi bei ca. 300 GeV. Cowan udn Reines waren die ersten, die neutrinos als Primaerteilchen benutzten! S-Wellenlimit: 4pi/s Yukawa hoffte, dass sein Meson starke UND schwache WW erklaeren koennte. WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

P-Verletzung in Cobalt (Wu) Schwache Wechselwirkungen WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Lepton-Proton Streuung Die Struktur des Nukleons (elastisch) Quark-Modell erlaubte Klassifizierung der Resonanzen; aber Interpretation der Wirkungsquerschnitte schwieriger! Spinloses Elektron auf statische Punktladungs: Rutherford! Berücksichtigen des Elektron-Spins: Mott! Proton-Spin, ausgedehnte Ladungsverteilung, Rückstoss: Rosenbluth! 1956 Hofstädter, McAllister: 188-MeV-Elektronen elastisch auf Wasserstoff. Annahme: Ladungsradien von F1 und F2 identisch Mit hadronisch oben meine ich hadron auf hadron. Also etwas einfacheres machen: lepton auf hadron! Dann nur alpha_em, also Stoerungstheorie einfach (in hadronischen wusste man dass die Kopplung sehr gross ist!) Die Fi sind Formfaktoren – das sind noch nicht die Strukturfunktionen von spaeter! Eine steht uebrigens fuer elektrisch,die andere fuer magnetische WW Hofstadter: Nachweis des Elektrons in einem drehbaren Spektrpmeter! Elastisch  Energie und Richtung des gestreuten Elektrons NICHT unabhaengig!  <r>=0.74fm WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

(Tief-)Unelastische Streuung Die Struktur des Nukleons 1969 Panofsky et al.: 18-GeV-Linac am SLAC!  Inelastische Streuung! Scaling! Struktur Wi hängt nur von x=Q2/2M ab, obwohl Wi=Wi(,Q2)!  naives (“kindergarden”) Partonmodell von Feynman/Bjorken: Proton besteht aus drei unabhängigen Partonen (=Quarks!). Wahrscheinlichkeit, ein Parton mit Impulsanteil x zu finden: f(x)! 1975ff: Quantenchromodynamik: Quarks wechselwirken via Gluonen! Also müssen Gluonen im Proton sein!  Verletzung des Scalings, da Abstrahlung von Gluonen von x abhängt!  f=f(x,Q2)! Panofsky et al. hatten `Glück’, dass Ihre Experimente bei x-Werten abliefen, bei denen man die Scaling-Verletzungen nicht sieht! Bis heute (HERA): Viele Experimente messen Protonstrukturfunktionen (jetzt wieder F2, F3 und FL genannt) mit hoher Präzision in Collidern, Fixed-Target-Experimenten, mit Elektronen, Neutrinos auf Wasserstoff, Deuterium etc. M und nu erklaeren koennen!!!! M ist Masse des Hadrons und nu ist der Energieverlust des Leptons. Inealstisch  Energie und Richtung des gestreuten Elektrons unabhaengig!  Panofsky musste beides messen! Details zum Experiment Goldhaber p220f Formel beinhaltet Mott und ist aequivalent zu Rosenbluth, aber fuer inelastisch! Strukturfunktionen Wi! Kindergarden kommt von Goldhaber! Gluonsbtrahlung und Quarkpairsplitting zeigen, Briefmarkenplot! WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Lepton-Proton-Streuung Die Struktur des Nukleons II (4. Vorlesung) Partonverteilungsfunktionen Strukturfunktion F2 WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Quantenchromodynamik Lebensrecht für Quarks und Gluonen Quantenchromodynamik, QCD: renormierbare Quantenfeldtheorie mit Gluonen als Botenteilchen Gruppenstruktur SU(3)C (c=colour, nicht f=flavour!) Parameter: Starke Kopplungskonstante s. Seit 1974 durch viele Experimente bestätigt, präzise Messungen von s. PETRA Nachweis Gluon! Beweis QCD! Nobelpreis? WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Charm, Beauty, Top, Tau … immer seltsamere Teilchen 1974 Ting und Richter messen unabhängig voneinander eine cc-Resonanz bei etwa 3.1 GeV. Nobelpreis 1976. Viele Anregungen z.B. von Crystal Ball gefunden. Auch c-Mesonen. 1975 bei Spear (Perl) und DORIS (DESY): Paarproduktion neuer schwerer Leptonen: Tau-Lepton! 1977 Lederman et al.: Resonanz in +- mit 400-GeV-Protonen. Entdeckung von beauty. Ausweitung des Cabibbo-Winkels auf 33-Matrix: Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Wiederholung der c-Story! Nachweis des Top-Quarks in pp-Kollisionen am Tevatron bei s=1.8 TeV. Masse: 178 GeV! 2000 Donut-Experiment am Fermi-Lab findet/bestätigt Tau-Neutrino  Fermionen vollzählig! Was macht Cabibbo genau? Mischungswinkel, um DeltaS=1 und DeltaS=0 Hadronenstroeme zu erklaeren. Erlaubt Uebergange von S nach u,d etc. … sintheta=0.23 Charm schon 1964 aus symmetriegruenden vrohergesagt. Ting: p auf Beryllium, Ting variierte CMS in Schritten von 200 MeV. Nichts zu sehen, evtl. Bei 3.2 GeV etwas hoch. Checken bei 3.1 und 3.3m dann ganz kleine Schritte  riesige Resonanz bei 3.1, Breite nur 87 MeV. Richter in e+e- Spear with 2.5-7.5 GeV cmE in standford. Detektor ist MarkI. Richter found possible small peak at 3.1 Monday November 11: Ting und Richter sprechen. Word reaches Frascate confirmed! D-Mesonen bei SPEAR and DORIS (PLUTO, DASP). Zerfalle hauptsaechlich in Kaonen, Pionen. Nach Entdeckung des Tau neue Familie von Quarks erwartet!  beauty keine Uebrreaschung. Upsilon bei ca. 10 GeV. b-Entdeckung auch bei DORIS (LUTO und DASP). Tau-Neutrino? Genau Topmasse WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

J/ (cc) und charm … immer seltsamere Teilchen Links J/Psi Entdeckung: Ergebnisse der Messungen von Augustin et al. am Speicherring SPEAR des SLAC (1974), die die J/y-Resonanz bei einer Masse von 3,1 GeV zeigen. Argus Entdeckung des J/ und charm-Spektroskopie WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Beautiful Quarks: Y (bb) … immer seltsamere Teilchen Charmonium-Levels Erster nachweis der Y-Resonanzen. Erster experimenteller Beweis für die Existenz der Resonanzen ¡, ¡¢ durch Herb et al. (1977) aus dem Spektrum von Myonpaaren am Fermilab in Chicago. Die individuellen Zustände ¡, ¡¢ etc. konnten hier nicht aufgelöst werden. Ypsilon-Resonanz und Beauty-Quark-Ereignis WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Das Top-Quarks … immer seltsamere Teilchen Invariante Masse (CDF) und Vergleich verschiedener Messungen derzeit bester Wert: mt = 178.0±4.3 GeV WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Standard-Modell … nicht trennen, was zusammengehört! Vor 1973: Fermi/V-A-Theorie trotz aller Probleme: Immer noch Unitarität verletzt! Wichtige Beiträge von Yang und Mills, Higgs. Glashow, Weinberg, Salam: Elektroschwaches Standard-Modell! W-Triplett, B mischen: W+, W- bekannt, W0 und B0  Z, (sinW) Veltman, t’Hooft: Theorie renormierbar! Aber wo ist das Z? 1973 Entdeckung neutraler schwacher Ströme (Perkins et al, CERN, Gargamelle-Blasenkammer mit Neutrino-Strahlen). Bald auch Messungen von sinW. Die vom Modell vorhergesagte Massen von W,Z zu hoch für alle Maschinen  Rubbia et al: SpSSppS! 1983 UA1 und UA2 finden W,Z! Nobelpreis für Rubbia, v.d.Meer. 1989-2000 LEP macht Präzisionsmessungen des elektroschwachen Standard-Modells. Wichtige QCD-Messungen. Keine Indizien für Higgs-Teilchen bis 114 GeV! Es gibt drei Neutrino-Familien! Yang/Mills: 1954: renormierbare Theorie mit masselosen Eichbosonen: W+, W-, W0, B. Wichtig hier: 3-Eichboson-Vertex!!! Der rettet uns vor Verletzung der Unitaritaet. Higgs: Wie komme ich von masselosen zu massiven Eichbosonen. Grad der Mischung zwischen Photon und Z (W0 udn B)) : Weiberg-Winkel. 1973: Immer noch kein W,Z gefunden! W bis zu 20 GeV gesucht. WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Elektroschwaches SM Die Gargamelle-Blasenkammer WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Elektroschwaches SM Die Detektoren UA1 und UA2 Zwei links: UA2 Rechts UA1 UA1: Magnetfeld 0.7T, Gute Spurkammern, volles EM/HA-Cal. 2000 Tonnen, Rubbia war Chef. War sowohl bei W als auch bei Z zuerst dran. UA2: 200 Tonnen nur WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Elektroschwaches SM Entdeckung von W,Z am SppS mit UA1, UA2 C. Rubbia und S. v.d.Meer Ein UA1-Ereignis WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Elektroschwaches SM Die LEP-Ära WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Elektroschwaches SM Die LEP-Ära OPAL ALEPH WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Elektroschwaches SM Die LEP-Ära Es gibt 3 leichte Neutrinos W und Z koppeln aneinander! WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Elektroschwaches SM Die LEP-Ära Wo welche Unitaritaet verletzt? Dawson-Vorleusng lesen zum rechten Plot!!! Das Higgs ist leicht! Das Standard-Modell passt! WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS Das Standard-Modell WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Hochenergiephysik Was passiert heute? 2000 LEP wird abgeschaltet, um Ressourcen für LHC freizumachen Neutrinophysik: Neutrinos haben Masse! Tevatron: Der Run II läuft. Wesentliches Ziel: Higgs. Aber auch wichtige Messungen zum SM (Top-Quark, MW,…). Betrieb bis 2009. HERA: HERA II läuft. Ziel: Genaue Vermessung des Protons. Neue Physik? Ende voraussichtlich Mitte 2007. Bau von LHC: Beginn des Betriebs 2007. Planungen für einen neuen e+e--Linearkollider mit ca. 1 TeV. Möglicher Bau-Beginn: 2009 (Vorlesung P. Schleper am Ende des Semesters). Ideen für Upgrades von LHC, für Muon-Kollider (Vorlesung P. Schleper am Ende des Semesters). Jeder Schritt (Design, Bau, Betrieb) z. Zt. ca. 10 Jahre! Tevatron: Lumiupgrade  run 2! WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Hochenergiephysik heute LEP ist Geschichte WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Hochenergiephysik heute Tevatron CDF DØ WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Hochenergiephysik heute Tevatron: CDF und DZero WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Hochenergiephysik heute DESY und HERA WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Hochenergiephysik heute HERA: H1 und ZEUS Der H1-Detektor WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Probleme der Teilchenphysik Welche Fragen brauchen den LHC? Anzahl der freien Parameter im Standard-Modell Massen der Leptonen? Kopplungen? Mischungswinkel? Kann man tieferliegende Prinzipien dafür finden? Dunkle Materie Grosser Anteil (~23%) der Materie im Universum sind kalt – aber im SM kein Kandidat für kalte Materie! Higgs-Mechanismus Woher bekommen Teilchen ihre Masse? Gibt es ein Higgs-Boson? Oder mehrere (SUSY)? Oder macht die Natur etwas ganz anderes? Problematische Messungen b-Asymmetrie bei LEP (nächste Seite) WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Probleme der Teilchenphysik Welche Fragen brauchen den LHC? Parameter des Standard-Modells 3 Kopplungen 12 Fermion-Massen 4 Mischungsgrössen im Quark-Sektor Wolfenstein-Parameter im Neutrino-Sektor. Weinberg-Winkel Higgs-Masse … Probleme bei sinW? WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Probleme der Teilchenphysik Welche Fragen brauchen den LHC? Vereinheitlichung Vereinheitlichung der starken und der elektroschwachen WW? Geht im Standard-Modell nicht. Aber möglicherweise mit SUSY! Inkonsistenz des Standard-Modells Higgs-Boson wird für Konsistenz gebraucht! Hierarchie-Problem: Teilchen-Massen sollten Korrekturen von der Grössenordnung der höchsten Skala des SM erhalten – aber W und Z haben sehr kleine Massen, und auch die Higgs-Masse ist vermutlich kleiner als 200 GeV neue Physik bei kleineren Skalen? 1 TeV? Supersymmetrie? WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Probleme der Teilchenphysik Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten Ohne SUSY Mit SUSY Korrekturen zur Higgs-Masse WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Warum LHC? … und keine andere Maschine Kompromiss aus Schwerpunktsenergie und Preis 14 TeV (Plan SSC: 40 TeV) Begründete Hoffnung: mHiggs < 1 TeV, SUSY bei unter 1 TeV Benutzung der LEP-Infrastruktur (Tunnel etc., SSC: 87 km) Die meisten Entdeckungen wurden in Hadron-Reaktionen gemacht Meistens mehr Energie und Luminosität zur Verfügung als mit Leptonen. Vieles in Fixed-Target-Experimenten! W,Z bei UA1, UA2 J/ Top Dann Präzisionsvermessung mit e+e—Maschine Erfahrung des CERN im Bau und Betrieb von Grossanlagen CERN war immer an der vordersten Teilchenphysikfront Erprobte internationale Zusammenarbeit vieler Staaten. Was war Energie von SSC? WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

CERN und das LHC-Projekt Eines der grössten wissenschaftl. Abenteuer 6000 Leute tun sich zusammen, um die grösste Maschine aller Zeiten zu bauen. Zeitrahmen: Erste Planungen ~1985, Ende Datennahme ~2020 Kosten: > 5 Mrd.Schweizer Franken Entscheidend für ein ganzes Forschungsfeld: LHC MUSS ein Erfolg werden! Seit der Entdeckung von W,Z,Top keine wirkliche Bewegung. Bestätigung des Vermuteten/Bekannten! Wenn keine neuen Phänomene im Bereich von LHC-Energien, dann für lange Zeit keine neuen Entdeckungsmaschinen in Sicht (Kosten). Aber eigentlich ist SM nicht konsistent, wenn kein Higgs bei LHC gefunden wird! Eigentlich MUSS etwas passieren. Auch Sensationell: Nichts neues gefunden! Hoffnung: LHC wird neue Aufbruchstimmung erzeugen. Auch entscheidend für CERNs Zukunft! Nur kosmische Beschleuniger! Aufbruchstimmung: Was wir gelernt haben, wird evtl. Gueltigkeit verlieren. SUSY als neues Paradigma, oder etwas ganz anderes? WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

CERN: Die Organisation Ein europäisches Forschungszentrum European Organization for Nuclear Research Gegründet 1954. Weltgrösstes Teilchenphysiklabor; stellt vor allem Infrastruktur (Beschleuniger) zur Verfügung. Gegründet 1954; mittlerweile 22 Mitgliedstaaten, einige assoziierte. Ca. 2500 Physiker, Techniker, Ingenieure, Verwaltung etc. Auftrag Grundlagenforschung im Bereich der kleinsten Strukturen der Materie: Was die Welt im Innersten zusammenhält. Erfolge SC, ISR, PS, SpS, SppS, LEP, LHC … CHDS, CHARM, Gargamelle, BEBC, EMC, NMC, ISOLDE, ATHENA, ATTRAP, ASACUSA, Crystal Barrel, Obelix, UA1,UA2,ALEPH,DEPLHI,L3, OPAL, ATLAS, CMS, ALICE, LHC-b Weizsäcker, Bohr, Weisskopf, Rubbia, Charpak, Van de Meer, Ting, Maiani, … Nicht vergessen: QGP, heavy ions, CP, NA blblbla, antimatter SC = 600 MeV 57-90 Protonen ISR = pp bei bis zu 63 GeV, 1971 PS seit 1959, zuerst Protonen, SpS = 7 Kilometer Proton SppS = pantip bei bis zu 540 GeV WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

CERN: Die Organisation Ein europäisches Forschungszentrum Osteuropaeische Koolborationen! Schon sehr frueh!!!! WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Das CERN Bei Genf, in der Schweiz und in Frankreich Skurilitaeten: Bergbaurecht in F und CH Eigene Feuerwehr Eigenes Polizeirecht Zollfreiheit, aber wehe, man fuehrt Papier aus … WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Das CERN Bei Genf, in der Schweiz und in Frankreich Positionen von OPAL etc erwaehnen! 5=OPAL. 3=Aleph etc. WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Das CERN Ca. 2500 Physiker, Techniker, Verwaltung etc. PS Grenze F/CH Site de Prevessing erwaehnen! ISR WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Das CERN Ca. 2500 Physiker, Techniker, Verwaltung etc. WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

We proudly present: CMS DAS Experiment WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Die nächste Vorlesung Beschleuniger Grundlagen Realisierungen CERN und seine Beschleuniger WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS

Literatur und weiterführende Informationen Perkins: Introduction to High Energy Physics Halzen, Martin: Quarks and Leptons Griffith: Schmüser: Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker Goldhaber, “Schlüsselexperimente der Teilchenphysik”, leider vergriffen, aber in manchen Bibliotheken. http://dbserv.ihep.su/compas/contents.html http://www.cern.ch http://cmsdoc.cern.ch http://particleadventure.org http://www.desy.de/~schleper/edulinks.html WS 2004/05, 12.370 Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS