Physik bei HERA: Das ZEUS-Experiment und ein wenig von H1

Präsentation zum Thema: "Physik bei HERA: Das ZEUS-Experiment und ein wenig von H1"—  Präsentation transkript:

1 Physik bei HERA: Das ZEUS-Experiment und ein wenig von H1
Thomas Schörner-Sadenius UHH, 25. Januar 2005 Experimentelle Methoden der Teilchenphysik

2 Übersicht DESY+ HERA ZEUS (+H1) HERA- Physik Labor Beschleuniger
Detektoren Arbeitsorganisation HERA- Physik Inklusive Messungen: F2, elektroschwache Physik QCD rauf und runter Exotisches Ausblick 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

3 Das DESY-Umfeld Viele Beschleuniger und einiges an Geschichte
Gluon-Entdeckung bei PETRA Derzeit 920-GeV-Protonen auf 27.5-GeV-Positronen. DESY als Teil der HGF der Grossforschungseinrichtungen etc. … Ca “User” am DESY in den verschiedensten Bereichen. 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

4 Der Upgrade HERA I  HERA II Signifikant mehr Daten!
HERA I (bis 2000): e+p-Streuung: 100 pb-1 e-p-Streuung: 15 pb-1 HERA II (seit 2003): Ziel: 1000 pb-1 bis 2006/7 [Verbesserte Suche nach neuer Physik; höhere Präzision bei vielen Messungen (hohe Q2).] Soll erreicht werden durch bessere Strahlfokussierung (Faktor 5 höhere Ereignisrate). Ausserdem: Polarisation der Strahlen  schwache WW). 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

5 H1 und ZEUS Die einzigen ep-Experimente
Internationale Kollaborationen mit Beteiligung von ca 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 2006/7 geplant. [Anmerkung: Es gibt zur Zeit nicht viele laufende HEP-Experimente!] Stichwort Besichtigung ZEUS! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

6 Das ZEUS-Experiment Zwiebelschalenfoermiger Aufbau
20*12*11 Meter 3600 Tonnen Ca. 25 Komponenten e p Wechselwirkungspunkt Vertex-Detektor Nachweis der Zerfaelle langlebiger Teilchen Spurkammer CTD Feld/Signal-Draehte (Ionisationsnachweis, Impulsmessung geladener Teilchen) Uran-Kalorimeter UCAL (Energiemessung neutraler und geladener Teilchen) Solenoid Weitere Kalorimeter Muon-Kammern Elektronics Hut, FE electronics on detector Anzahl Kanaele CAL (4500) 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

7 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 Verstaerkung und shapen am Detektor Ein Barrel-Modul Kalorimeter-Geometrie 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

8 Das ZEUS-Kalorimeter Funktionsweise
“Tower” “Cell” “EMC” “HAC1” “HAC2” Cells werden auf beiden Seiten von PMTs ausgelesen  stabil gegen Ausfall!  zusaetzliche Ortsaufloesung durch Schwerpunktsbildung Insgesamt ca PMTs. Die erste Elektronik sitzt noch am Detektor  kurze Signalwege (Rauschen), aber schlecht zugaenglich! Verstaerkung und shapen am Detektor 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

9 Das ZEUS-Kalorimeter Bedeutung des Urans
Wir wollen elektromagnetisch und hadronisch wwirkende Teilchen messen Aber: Die hadronische Komponente leidet oft unter Verlusten (z.B. unentdeckte Neutronen etc.) Konsequenz: Ein deponiertes GeV elektromagnetischer Energie sieht “nach mehr aus” als ein GeV hadronischer Energie. Uran: setzt bei der Spaltung Neutronen frei, die zu zusaetzlicher Energiedeposition fuehren – das Uran “kompensiert” also die hadronischen Verluste. Ergebnis: Sehr gute Energieaufloesung fuer Hadronen bei Zeus: Verstaerkung und shapen am Detektor 0.17 fuer elektronen 10mrad Winkelaufloesung fuer Jets 1ns Zeitaufloesung ! (BC=96) (E)/E = 0.35/sqrt(E [GeV]) 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

10 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 ! 360k elektrische Kanaele im Readout! 600 Silizium-Streifendetektoren e p Wechselwirkungspunkt 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

11 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 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

12 Betrieb des Detektors Schichtarbeit
Rund um die Uhr 2-Mann-Schichten a 8 Stunden. Betrieb und Ueberwachung des Experiments (Safety!) Kommunikation Fuer jede Detektorkomponente immer eine “on-call”-Person in Rufbereitschaft (Doktoranden). Einfache Probleme Kalibration Ueberwachung der Datenqualitaet Im Hintergrund ein Komponenten-Experte/Koordinator (Postdoc) ... Selber oft ueberfordert (Altern des Experiments …) Eine Stunde DM? 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

13 Elektron-Proton-Streuung Das Proton – ein komplexes Objekt
25. Januar 2005 TSS: ZEUS

14 Elektron-Proton-Streuung Das Elektron als “Sonde”
neutral current - e charged current -  Ee = 27.5 GeV p=xP P Q2=-q2=-(k-k’)2 Proton k’(e±,) k Lepton (e±) Q2: Viererimpuls-Transfer [Auflösung ~1/Q] ,Z,W y=Q2/sx: Inelastizität [s=Schwerpunktsenergie] x=Q2/2Pq: Anteil des Quarks am Protonimpuls (Bjorken-x) Photoproduktion: Q2 = 0 GeV2 Ep = 920 GeV [before 1998: 820 GeV] Tiefunelastische Streuung (DIS): Q2 > 0 GeV2. 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

15 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) ] 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

16 Elektron-Proton-Streuung Verdeutlichung von x und Q2
25. Januar 2005 TSS: ZEUS

17 Elektron-Proton-Streuung Verdeutlichung von x und Q2
25. Januar 2005 TSS: ZEUS

18 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 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

19 Inklusive Messungen … wofuer HERA gebaut wurde
Q2=4EeEe’cos2(/2) y =1-Ee’sin2(/2)/Ee x =Q2/sy Durch Messung des Streuwinkels und der Streuenergie des Elektrons ist das Ereignis vollstaendig beschrieben!  zaehle Elektronen als Funktion von Winkel und Energie Strukturfunktionen des Protons! Vergleich mit Theorie! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

20 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? 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

21 Die Protonstruktur – PDFs* … etwas unanschaulich …
F2(x) = eq2 xq(x) (QPM) Beachte den Unterschied zwischen Valenz- und Seequarks und Gluonen! Die Angabe von (sinnvollen) Fehlern ist noch sehr neu! *PDF = parton distribution function 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

22 Elektroschwache Theorie Erster Schritt zur “Unification”
Generell (e-) > (e+) [positiver (negativer) Beitrag des Z0 in e-p (e+p)] Q2 gross (NC) = (CC) [Elektroschwache Ver- einheitlichung] CC bloed – kein Elektron fuer Kinematic  man muss isch anders helfen (nur aus had endzustand) CC unterdrueckt durch W-Propagator mit 1/mW^4 … ,Z,W? Egal !!!! Alle Wirkungsquerschnitte von der Theorie beschrieben! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

23 Elektroschwache Theorie Erster Schritt zur “Unification”
CC bloed – kein Elektron fuer Kinematic  man muss isch anders helfen (nur aus had endzustand) CC unterdrueckt durch W-Propagator mit 1/mW^4 … 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

24 Die starke Weckselwirkung: QCD Die andere Kraft …
… die nächste Ordnung … BGF: Boson- Gluon-Fusion s! QCD-C: QCD- Compton-Events 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

25 Die starke Weckselwirkung: QCD Die andere Kraft …
… die nächste Ordnung … BGF: Boson- Gluon-Fusion s! QCD-C: QCD- Compton-Events 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

26 Besonders nett: s Ein (zum Glueck) universeller Parameter
s ist der fundamentale Parameter der QCD (wie EM im Falle der QED). 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

27 Physik schwerer Quarks I Komplexer wegen hoher Massen!
“Open charm production” x Rest D* s+ + K- D0 “Golden D* decay” Bildung von J/Psi erwaehnen! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

28 Physik schwerer Quarks II
Beauty-Wirkungs- querschnitte nicht verstanden? Methoden: pT,rel, Impakt-Parameter, (stat. Trennung) Erstes Mal Daten durch Theorie beschrieben? 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

29 Physik schwerer Quarks III b-Quark-Tagging: pt,rel
Der “Abstand” von Myonen aus b-Zerfaellen zu “ihren” Jets ist wegen der Massen des b groesser als der in Zerfaellen leichter Quarks. b c ‘X, Jet’ Myon pt,rel Prozess: bcX 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

30 Physik schwerer Quarks VI b-Quark-Tagging: “impact parameter d”
Wegen ihrer hohen Lebensdauer zerfallen weit vom Vertex entfernt (Mikrometer). Nachweis mit Mikrovertexdetektoren! Die negative Flanke der Verteilung wird fuer Aufloesungsstudien verwendet und hilft, den Untergrund abzuschaetzen. Vertex B-Zerfall “d” “><0?” } Falsch gemessenes Leichtquark-Ereignis! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

31 Die Suche nach neuer Physik … noch ganz frisch: Pentaquarks uuddsKs0p+-p
25. Januar 2005 TSS: ZEUS

32 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] 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

33 … und was sie so schwer macht!
25. Januar 2005 TSS: ZEUS

34 … und was sie so schwer macht!
25. Januar 2005 TSS: ZEUS

35 Abschluss … und ein wenig zur ZEUS-Fuehrung
Es ist unklar, ob der Zugang am 2.2. stattfindet HERA will noch mehr herumspielen, bevor es eine neue Pause gibt. Alternativer Termin Mitte Februar. Bitte in Liste einschreiben und unbedingt angeben. Ich werde rechtzeitig Bescheid sagen. Naechste Woche findet keine Vorlesung mehr statt Wir bedanken uns fuer Ihre Aufmerksamkeit und hoffen auf moeglichst detailliertes Feedback, damit wir unsere zahlreichen Unzulaenglichkeiten beim naechsten Mal ausbuegeln koennen. Vielleicht treffen wir uns ja waehrend eines Praktikums oder Ihrer Diplomarbeit bei ZEUS oder CMS wieder. Naechstes Semester: Vorlesung Teilchenphysik fuer Fortgeschrittene (voraussichtlich Naroska / Schoerner). 25. Januar 2005 TSS: ZEUS