Meilensteine der Teilchenphysik f Meilensteine der Teilchenphysik l = h/p Energie T @ t-1/2 Ab ca. 1900 Quantenmechanik, Atomphysik 10-10 m £ 10 eV > 3.105 a Ca. 1940 … 1950 Quantenelektrodynamik Ca. 1950 … 1965 Kerne, Hadronen, Symmetrien, Feldtheorien 10-15 m MeV-GeV @ 3 min 10-16 m >> GeV @ 10-6 s Ca. 1965 … 1975 Quarkmodell, Eichtheorien 10-18 m @ 100 GeV @ 10-10 s Ca. 1970 … 1983 Quantenchromodynamik, elektroschwache Vereinigung - W/Z am SppS (UA1, UA2) -

Meilensteine der Teilchenphysik f Meilensteine der Teilchenphysik LEP 1990 3 Familien Tevatron (CDF, D0) 1994 Top-Quark Superkamiokande et al. 1998 Neutrino-Oszillationen Tevatron (DONUT) 2000 t-Neutrino CERN 2000 Quark-Gluon-Plasma ne e nm m nt t 6 Leptonen u d c s b t 6 Quarks 3 Farben / Quark R G B CERN-LHC ab 2007 Higgs, SUSY, …? 10-19 m @ 1 TeV @ 10-12 s 10-32 m @ 1016 GeV @ 10-32 s 10-35 m @ 1019 GeV @ 10-43 s Grand Unification …? Superunification, Quantengravitation,..?

Offene Fragen der Teilchenphysik Ursprung und Hierarchie der Teilchenmassen Gibt es ein Higgs-Teilchen und was ist seine Masse? Wie muß das Standardmodell erweitert werden? Supersymmetrie, Grand Unified Theories, … Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen? Gibt es mehr als drei leichte Generationen? Gibt es schwere Neutrinos? Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie Stabilität des Protons Woraus besteht die dunkle Materie des Kosmos? Ursprung des quantenchromodynamischen Confinement Quark-Gluon-Plasma Wie kann die Gravitation eingebunden werden?

Livingston-Diagramm Die sukzessive Erhöhung der Strahlenergie beruht auf Fortschritten in der Beschleunigertechnologie. Supraleitende Magneten ermöglichen Proton-Proton-Kollisionen mit Schwerpunktsenergie √s = 14 TeV am LHC.

Parameter des Large Hadron Collider Proton- Proton Umfang: 27 km Teilchenpakete: 3564 + 3564 Protonen / Paket: 1011 Strahlenergie: 2 x 7 TeV Luminosität: 1034 cm-2s-1 Strahlkreuzungsintervall: 25 ns Kollisionsrate: 107 … 109 Hz Flußdichte der Dipolmagneten: 8.4 T Anzahl der Dipolmagneten: ca. 1200 Schwerionen (Pb-Pb, S-S, etc.) Strahlenergie: bis zu 5.5 TeV/Nukleonenpaar Luminosität: 1027 cm-2s-1 für Blei 3.1031 cm-2s-1 für Sauerstoff Strahlkreuzungsintervall: 125 ns Pakete Parton

LHC-Beschleunigertechnologie String-Test für Dipolmagnete

LHC-Beschleunigertechnologie Supraleitende Hochfrequenzkavität

Wirkungsquerschnitte Wirkungsquerschnitte für verschiedene Prozesse variieren über viele Größenordnungen inelastisch: 109 Hz W -> lv: 100 Hz tt: 10 Hz Higgs (100 GeV): 0,1 Hz Higgs (600 GeV): 0,01 Hz Erforderliche Selektivität 1 : 10 10 - 11 -

Zielsetzungen der LHC-Experimente Standardmodell-Physik QCD, elektroschwache Theorie (Higgs, W, Z, Top, Jets, …) Supersymmetrie SUSY-Higgsbosonen, andere supersymmetrische Teilchen, ... Andere Erweiterungen des Standardmodells Compositeness, Technicolor, Leptoquarks, neue schwere Vektorbosonen, ... B-Physik CP-Verletzung, B0-B0 Oszillationen, seltene B-Zerfälle, ... Schwerionenphysik Quark-Gluon-Plasma Physik bei kleinen Winkeln stotal, elastische Streuung, Diffraktion Neue Phänomene

Experimente am LHC TOTEM

Experimentelle Herausforderungen Pile-up stot @ 100 mb, hohe Luminosität -> bis zu 25 p-p-Kollisionen pro Strahlkreuzung, 1000 geladene Teilchen in |h| < 2.5 Konsequenzen für Detektoren: Kleine Signalantwortzeiten (typisch 25 bis 50 ns) Hohe Granularität (> 108 Kanäle) Hohe Strahlungsfestigkeit (Fluß 1017 Neutronen/cm2, Dosisleistung bis zu 107 Gy nach 10 Jahren Betrieb) in Strahlnähe QCD-Untergrund Rate dominiert durch Jet-Produktion (qq -> qq, gg -> qq etc.), daher i.a. in der Praxis nur Zerfälle mit Leptonen und Photonen verwendbar. Ereignisrate daher klein.

Wo ist das Higgs? 18 überlagerte p-p-Kollisionen im inneren Teil des CMS-Trackers, darunter 4 Müonspuren von einem Higgszerfall

Transversalimpulsschnitt von pT > 2 GeV nach Spurrekonstruktion Hier! Transversalimpulsschnitt von pT > 2 GeV nach Spurrekonstruktion

Neutronen pro cm2 für 5 x 10 pb-1 Neutronenfluß in CMS Neutronen pro cm2 für 5 x 10 pb-1

Dosisleistung in Gy für 5 x 10 pb-1 Dosisleistung in CMS Dosisleistung in Gy für 5 x 10 pb-1

Typischer Detektoraufbau Schwere Materalien (Eisen oder Kupfer + aktives Material) Schwere Materalien Müondetektoren Müonidentifikation Impulsmessung Materalien mit hoher Protonen- zahl + aktives Material Elektromagnetische und hadronische Kalorimeter Teilchenidentifikation (e, g, Jets, fehlendes ET) Energiemessung Zentraldetektor Spuren Impulsmessung Vektor zu elektromagnetischen Schauern Vertices Leichte Materalien

Magnetkonfigurationen Die Magnetkonfiguration bestimmt die Charakteristik eines LHC-Experiments. ATLAS A Toroidal LHC Apparatus CMS Compact Muon Solenoid

ATLAS-Toroide Prototyp eines Barrel-Toroids (Spitzenflußdichte 3.9 Tesla)

CMS-Solenoid Größtes Solenoid der Welt 4 Tesla maximale Flußdichte 2.5 GJ gespeicherte Energie Modellmaschine zur Herstellung der Spule Magnetjoch

ATLAS-Detektor

CMS-Detektor

CMS-Detektor

Detektoren in ATLAS und CMS

Trigger und Datenakquisition

Österreichische Beiträge zu LHC-Experimenten ATLAS Universität Innsbruck: Simulationsstudien (B-Physik, …), Physikanalyse CMS Institut für Hochergiephysik der ÖAW: Globaler Triggerprozessor Regionaler + globaler Müontriggerprozessor Bau von Modulen und Steuerelektronik des Silizium-Trackers und Pixeldetektors Bau von Teilen des Alignment-Systems Software, Simulationsstudien (SUSY, …), Physikanalyse Neue Mitarbeiter und Studenten (Sommer, Diplomarbeiten, Dissertationen) willkommen!

B. Southworth, G. Boixader (CERN) We hope you have enjoyed the world of particles as much as we do. We have so much to learn, to increase man’s knowledge and his control over his environment And so we say good-bye THE END