CERN-Masterclass “Hands on Particle Physics”: Tagesprogramm · Martin zur Nedden, HU Berlin CERN MasterClass 2009 3 Ein Universum voller Teilchen Einführung in die Elementarteilchenphysik

Martin zur Nedden, HU Berlin CERN MasterClass 2009 1

CERN-Masterclass “Hands on Particle Physics”: Tagesprogramm

• 10.00: Begrüßung

• 10.30 – 12.30: Vorträge (HS 1‘201, NEW 15)

• 10.30: Ein Universum voller Teilchen (M. zur Nedden) Einführung in die Teilchenphysik• 11.45: Das Unsichtbare sichtbar machen (U. Schwanke) Detektoren und Wechselwirkung von Teilchen mit Materie

• 12. 30 – 13.30: Mittagessen (Oase)

• 13.30 – 14.45: PC-Übung (im Schrödinger - Zentrum)

• 14.45 - 15.00: Pause

• 15.00 – 16.15: Vorträge: Elementarteilchenphysik in Berlin und Brandenburg

• Von Berlin nach Genf, Afrika und zum Südpol

• 16.30 – 18.00: Europaweite Videokonferenz (Schüler) (Schrödinger-Zentrum)

bzw. Diskussion über Teilchenphysik an der Schule

• 18.00: Ende


Personen

• Adelheid Sommer, DESY Zeuthen• Dr. Martin zur Nedden, HU Berlin• Dr. Ullrich Schwanke, HU Berlin• Dr. Oliver Kind, HU Berlin• Ruth Herberg, Michelangelo Giorgi, Rocco

Mandrysch, Holger Schulz, Jan Taudin und Andreas Hartmetz (all HU Berlin)

• Veronika Fetting, HU Berlin


Ein Universum voller Teilchen

Einführung in die Elementarteilchenphysik


Rutherfords Atommodell

10-14 m 10-8 m

Kern : Atom = 1 : 10 000 ⇒ das Atom ist (fast) leer !

Und das Atom ist nicht unteilbar – es besteht aus Elektronen und dem Kern

Sind diese wiederum fundamental?


Der Aufbau der Materie

10-15 mProton

10-9 mMolekül

10-14 mAtomkern

<10-18 mQuark,

10-10 mAtom

1/10.000 1/10

Elektron, Quark: <10-18m = 0,000000000000000001m

~ 0,01 mKristall

1/10.000.000 1/10 1/1.000

Elektron

Stecknadelkopf: 10-3m = 0,001m


Streuversuche: Unsichtbares Sichtbar machen

E.Rutherford: Struktur der Atome durch Streuversuche

Goldatome in einer Folie

Rutherford Applet

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/


Experimente mit Teilchenstrahlen

Teilchenstrahlen höchster Energie notwendig, dennmit steigender Energie E (bzw. Impuls p) der Projektile steigt • die Fähigkeit,

kleine Strukturen Δx zu erkennenΔx Δp = ħ (Heisenberg)

• die Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugenE = mc2 (Einstein)

• Streuexperimente:– Kollision von Teilchenstrahlen mit Materie– Kollision von zwei Teilchenstrahlen


Teilchen als Kraftvermittler

Austauschteilchen sind die Quanten der Kraftfelder

pp

nn

nn

p

pppp

n

nnp

pnp n

p


Wie sieht man Quarks? Quarks im Proton

Elektron

Elektron

Proton

γElektron

Elektron

Proton

γ/ΖQuark-Jet

Elektron

Quark-Jet

H1-Detektor

Proton-Elektron Kollisionen bei HERA (DESY):Schwerpunktsenergie von 320 GeV entspricht einer Ortsauflösung von 10-18 m


Jet

Jet

e+ e–

quark

antiquark

Erzeugung von Quarks und Antiquarks aus Energie

man sieht Bündel neuer Teilchen

Warum sieht man keine einzelen Quarks?


Die starke Kraft: „Quantenchromodynamik“Quarks erscheinen nur im Verband (Bsp Proton = |uud> , Neutron = |ddu>)Quarks erscheinen frei beweglich im Verband

Eigenschaft der starken Kraft:- die notwendige Energie zum separieren von Quarks wächst mit dem Abstand (Analogie: Federkraft)- Gluonen tragen Farbladung und koppeln aneinander- Quarks sind eingesperrt, es gibt nur farbneutrale Objekte

Grund:3 Ladungen: rot, grün, blau


Bausteine der Materie: Quarks und Leptonen

0

-1

+2/3

-1/3

LADUNGStrukturlose, fundamentale Teilchen: Alle Leptonen

Teilchen mit innerer Struktur:Proton, Neutron,….aufgebaut aus Quarks

Stabile Materie: up- und down-Quark, Elektronen


Systematik in der Welt der Teilchen

3 Familien von Quarks und Leptonen

Brauchen nur 1. Familie für die stabile Materie:

Proton= |uud> , Neutron= |udd> , Elektron = e

Systematik ↔ Symmetrien

+ Kraftteilchen γ, W±, Z0, 8 Gluonen, Graviton


Materie und Antimaterie

Entdeckung des Positrons = Antielektron

Symmetrie der Materie und Antimaterie:

Teilchen mit gleicher Masse, aber umgekehrte Ladungen

Teilchen-Antiteilchen entstehen als Paar aus Energie und vernichten sich als Paar


Vom Beschleuniger zum Collider

Ein Beschleuniger lenkt einen Strahl von beschleunigten Teilchen auf ein festes Ziel.

Collider – zwei kombinierte Beschleuniger:Zwei Teilchenstrahlen werden beschleunigt

und zur Kollision gebracht:Größere Enerergien werden erreicht


Nützliche Einheiten für Teilchen

● Größe:1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m(1 µm = 1.000.000.000 fm)

• Energie:1 ElektronVolt = 1eV

1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 1.000.000 eV1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 1.000.000.000 eV

• 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig:könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen


Arten von Collidern● Elektron-Positron-Collider: Präzisionsmessungen

– LEP, CERN in Genf bis 2000 (bis 105 GeV pro Strahl)– ILC (International Linear Collider) ab 2015(?)

● Elektron-Proton-Collider: Substrukturmessungen– HERA, DESY in Hamburg, bis 2007 (e: 30 GeV, p: 920 GeV)

● Hadron-Hadron-Collider: Enteckungsmaschienen– TEVATRON, FERMILAB in Chicago, bis 2009 (900 GeV pro Strahl)– LHC, CERN in Genf (Large Hadron Collider, Proton-Proton) ab 2008 (7000 GeV pro Strahl)


Die Schwache Wechselwirkung

1. Zerfall eines freien Neutrons:Schwache Wechselwirkung!

Quark-Umwandlungsprozess!

2. Nähere Untersuchung an Beschleunigern

Entdeckung des Austauschteilchens!

Beobachtung von “Neutralen” Strömen:

3. Genaue Untersuchung der neutralen Ströme

f: Fermion


Das Z-Boson

● eins der drei Botenteilchen (Austauschteilchen) der schwachen Wechselwirkung

● elektrisch neutral● Zerfällt in “Fermionen”:

– Quark-Antiquark-Paare (im Detektor als zwei Jets sichtbar)– Lepton-Antilepton-Paare: – Neutrino-Antineutrino-Paare:– unbekannte Teilchen?


Erzeugung von Z-Bosonen am Beschleuniger

Z0-Boson: grosse Masse, resonatne Erzeugung, wenn die Energie gleich der Masse ist


Zerfallskanäle des Z-Bosons

f: Fermion

Vorhersage der Theorie: Zerfallswahrscheinlickeit für alle drei Leptonen gleich


Die Zerfälle des Z-Bosons

● Was ist eine Zerfallsbreite?– Heisenberg'sche Unschärferelation:– Masse und Energie sind äquivalent– jedes instabile Teilchen hat eine Energieunschärfe, die sich als

Massenunschärfe bemerkbar macht – Beispiel: W-Boson

● Punkte: Daten● farbige Flächen:

theoretische Modelle● Z-Boson:

– Zerfallsbreite 2.5 GeV– Lebensdauer 10-25 s

Breite

Masse


Die Zerfälle des Z-Bosons

● Messungen:– Auszählen der Zerfallsarten:

● Wieviele Ereignisse in jedem Zerfallskanal?● Stimmen die vorhergesagten Verhältnisse?

– Vergleich mit der Zerfallsbreite:● Wieviele Sorten Neutrinos gibt es?● Gibt es noch andere (vorher nicht entdeckte) Teilchen, die leichter als die halbe Z-Masse sind?

● Verifikation der Vorhersagen der Theorie:– Zerfall in Leptonen gleich wahrscheinlich („Leptonuniversalität“ = Myonen und Taus verhalten

sich wie Elektronen)– Zerfall in Quarks viel wahrscheinlicher als Zerfall in geladene Leptonen – Summe aller Zerfälle ergibt Zerfallsbreite

Zerfallsbreite

Neues?


Big Bang

100 GeV

10 -10 s

10 -37 s

1015 GeV10 -43 s

1019 GeV

Die Vereinheitlichung der Kräfte


Messung der Vereinheitlichung

Messsung bei HERAam DESY Hamburg


Messung der Elektroschwachen Vereinheitlichung

Neutraler Strom:EM oder schwache Wechselwirkung

Geladener Strom:Nur schwache WW


Übersicht



Wozu Beschleuniger und Detektoren?

● Materie um uns herum ist aus Teilchen der ersten Generation/Familie aufgebaut: Protonen, Neutronen, Elektronen, Elektron-Neutrinos

● alle anderen Teilchen müssen produziert werden– : benötige Energie, um die Massen zu erzeugen– hochenergetische Beschleuniger notwendig

● Teilchen sollen nachgewiesen werden: Detektoren (Vortrag U. Schwanke)


Warum hohe Energien?

● Energie = Kraft × Weg● Energie = Masse × c2

Energie: - Abtasten von Strukturen - Aufbrechen von Strukturen - Erzeugung von neuer Materie: E=mc2

1 Elektronenvolt = Energie eines Elektrons nach Durchlaufen einer Spannung 1 Volt


Wie beschleunigt man ein Teilchen?

Mit einem elektrischen Feld!

Dies ist nur möglich mit elektrisch geladenen Teilchen!


Wie lenkt man ein Teilchen?

Mit einem Magnetfeld!

Teilchenbahn

magnetisches Feld

sehr starke Magnetfeldernotwendig:

● hoher Stromverbrauch● nur möglich mit supraleitenden Magneten


Der Fernseher – ein kleiner Beschleuniger

Energie der Elektronen: ca. 25000 Elektronenvolt (eV)(d.h. Elektronen werden mit 25000 Volt Spannung beschleunigt)


Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger

● Haben Sie auch daheim!

• Funktionsprinzip:Simulation

• Linearbeschleuniger: • Fermilab, Chicago (in Betrieb)• DESY, Hamburg (in Planung)

http://opal.physik.uni-bonn.de/~mkobel/unischule/exp/cavity-simu.htm



Verschiedene Arten von Beschleunigern

Simulation

Linearbeschleuniger: Speicherring:




LEP: Der Large Electron Positron Collider

OpalDelphi

L3

Aleph


LHC am CERN


Blick in den LEP-Tunnel

LEP-Tunnel:Umfang von 27 km

Wenige Zugänge:lange Transportwege


LEP: Magnete und Beschleuniger


Beschleuniger-Systeme am CERN


Neue Teilchen enstehen ...


... und sollen nachgewiesen werden!

Wie kann man unsichtbare Teilchen überhaupt sehen????


Teilchenphysik in Berlin/Brandenburg

Experimente an Beschleunigern: DESY Hamburg:

Experiment ZEUS am ep-Speicherring HERA (bis 2007)

CERN in Genf Experiment ATLAS am pp-Speicherring LHC

Enge Zusammenarbeit mit DESY Zeuthen


Teilchenphysik in Berlin/Brandenburg

Experimente der Astroteilchenphysik: Hochenergetische Gamma-Strahlung

Experiment H.E.S.S. In Namibia

Neutrino-Astrophysik Experiment Amanda/Ice Cube am Südpool

Enge Zusammenarbeit mit DESY Zeuthen


Offene FragenDas Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt

allen experimentellen Tests standgehalten.Dennoch ist vieles unverstanden:

• Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)?• Gibt es eine fundamentale Kraft?• Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde?• Gibt es zusätzliche Dimensionen?• Kennen wir alle Teilchen (Supersymmetrie)?

Um Neues zu entdecken, muss man neue Dinge tun:Der Large Hadron Collider (Proton-Proton) mit den Experimenten ATLAS und CMS amEuropäischen Forschungszentrum CERN in Genf


Ursprung der Masse: Higgs-TeilchenHatten gesehen:

• perfekte Symmetrie ohne Masse• Kräfte beschreibbar durch Eichtheorien: Forderung: Austauschteilchen müßen masselos sein

Erfüllt für Photon und Gluon,Aber nicht für W- und Z-Bosonen

Konsequenz: → Symmetrie muss gebrochen sein ←

• Symmetriebrechung erzeugt neues, massives Feld: Higgs-Feld• Konsequenz der Symmetrie-Brechung: W- und Z-Bosonen werden massiv• Erzeugung von Massen durch Kopplung an das Higgs-Feld• Teil des Standard-Modelles, noch nicht entdeckt


electron

selectron

quark

squark

photon

photino

vereinigtBosonen mit Fermionen

Kraft mit Materie

Fermion

Boson

Boson

Fermion

Super-Symmetrie

Super-Symmetrie

Erweiterung des Standard-Modelles


Vereinigt die Grundkräfte und liefert

mPl

MX ~ 1014 GeVτp ~ 1031 a

MX ~ 1016 GeVτp ~ 1038 a

• einen Vereinigungs-Punkt bei MX = 2·1016 GeV !

• Proton-Lebensdauer > expt. Grenze • leichtestes SUSY-Teilchen Dunkle Materie im Universum !• beseitigt mathemat. Inkonsistenzen

in der Theorie

Supersymmetrie


Wozu den LHC?

● Steigerung der Schwerpunktsenergie (Energie, die zur Erzeugung neuer Teilchen zur Verfügung steht) von 1800 GeV auf 14000 GeV

● Erlaubt die Entdeckung neuer Teilchen sowie den Zugang in bislang unerforschte Bereiche im Standard Modell der Teilchenphysik:

– Higgs (Standard Modell)– Supersymmetrische Teilchen (Erweiterung des

Standardmodelles)● Enorme Steigerung der Luminosität (ein Maß für die

Rate der Teilchenkollisionen) um einen Faktor 100


Herausforderungen beim LHC

● Strahlen enthalten viele Protonen bei sehr hoher Energie: extrem gute Kontrolle notwendig

● Magnete:– sehr große Felder (9 Tesla) notwendig: Supraleitung!– LEP-Tunnel: kompakte Bauweise– komplett neues Design!


Das Forschungszentrum CERN in Genf


Die Magnete des LHC Erstes komplettes LHC Element (~ 120 m ) : 6 Diople + 4 Quadrupole Erfolgreicher Test bei voller Leistung (12 kA)

8.4 Tesla


Installation des LHC

Magnete werden- abgesenkt- transportiert- verbunden


Dipole installation in the tunnel

Dipol-Verbindungen

Installation Abgeschlossen zu Beginn 2008- Erfolgreiche Hoschstromtests- Unfall bei einer Verbindung im September 2008

Installationsrate: Max. 20 Dipole pro Woche

Tests der Dipole im Tunnel


Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bologna, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Bucharest, Cambridge,

Carleton, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC,

Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano,

Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, McGill Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama,

Oklahoma, LAL Orsay, Osaka, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen,

Simon Fraser Burnaby, Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia,

UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan

ATLAS: weltweite Kollaboration

(Status Oktober 2005)

34 Länder 153 Institute 1650 Wissenschaftler(1330 mit PhD)

Neue Mitglieder 2005:UN La Plata, U Buenos Aires (Argentina)TU Dresden, U Giessen (Germany)U Oregon, U Oklahoma (USA)

Neue Mitglieder seit 2006:Humboldt-Univesität zu Berlin, DESY, SLAC, New York U (USA)


Ein Teil der ATLAS-Kollaboration


Die unterirdische Kaverne des ATLAS Detektors

Länge = 55 mBreite = 32 mHöhe = 35 mTiefe = 100 m


Das ATLAS-Areal überirdisch gesehen


Durchmesser 25 mBarrel Toroid Länge 26 mGesamtlänge 46 mTotales Gewicht 7000 t

Der Atlas Detektor hat unerreichte Größe

ATLAS ist höher als dasBürogebäude mit 5 Stockwerken


Der ATLAS-Detektor: Übersicht


Die kompakte Schwester: Der CMS Detektor


Der ATLAS Detektor im Aufbau

Beginn 2004


Der ATLAS Detektor im Aufbau

Absenkung undMontage derMuon-ToroidMagnetspulen


Der ATLAS Detektor 2007/08

Montage des SpurkammersystemesUnd der Kalorimeter


Der ATLAS Detektor 2007/08

Instalation derMuon-Endkappen


Teilchenkollisionen bei LHC und Selektion

7.5 m25 ns

Selektion von 1 aus Ereignissen


ET

WW-Rate

Anforderungen an den Trigger

Speicher-Rate

σ rate

WW-Rate: ~ 1 GHz BC-Rate: 40 MHz

Speicher-Rate: ~ 200 Hz

®“online”-Reduktion: 99.9995%

® Trigger: “Daten-Aufnahme-Entscheidung”

Leistungsfähiger Trigger unabdingbar:

Selektion der seltenen Ereignisse aus der extrem untergrundreichen LHC Umgebung

• Physik-Trigger• Technische Trigger

Unt

ergr

und

Ent

deck

unge

n


Grid: Weltweiter Datenfluss

Riesige Datenflut:

Nur mittels weltweitverteilten Rechenzentrenverarbeitbar.


Aktive ZentrenZentren in VorbereitungIn LCG-2: 250 Zentren, 32 Länder ~50,000 Prozessoren ~20,000 TB Speicherplatz

Weltweite Computer-Vernetzung

Die Anzahl der Zentren entspricht der, die zum Betrieb von LHC notwendig ist: extrem komplexe Betriebsbedingungen


Physikalische Fragestellungen beim LHC

p pH

µ +

µ-

µ+

µ-

Z

Z

p p

e-νe

µ+

µ−

q

q

q

qχ1-

g~

~

χ20~

q~

χ10

~

Elektroschwache Symmetriebrechung ?- Suche nach dem Higgs Boson

Erweiterung des Standardmodelles ?- Suche nach SUSY oder anderer “BSM-Physik”

p pH

γ

γ

Was noch? - Schwere Quarks, QCD, Elektro-schwache Prozesse: Physik des Standard-Modelles


H → ZZ → 4 l

e, µ

Z

e, µ

e, µ

e, µ mZ

Hg

g

tZ(*)

Optimaler Kanal zur Entdeckung des Higgs-Teilchens bei LHC

Zu erwartendes Higgs-Signal nach 1 Jahr Messen

Beispiel: Higgs-Ereignis

Simulation eines H → µµ ee Ereignisses in ATLAS


Higgs Ereigniss: Radiale Projektion


Higgs Ereigniss: Longitudinale Projektion


LHC Entdeckungspotential

Messzeit Massenbereich

1 Monat ~ 1.3 TeV1 Jahr ~ 1.8 TeV3 Jahre ~ 2.5 TeVObergrenze ~ 3 TeV

Beispiel: Supersymmetrische Teilchen

Dieses Teilchen (Neutralino) ist ein guter Kandidat für die dunkle Materieim Universum

Neutralinomassen bei LHC messbar Entdeckung von SUSY und Messung der Neutralinomasse am LHC kann das Problem

der kalten dunklen Materie im Universum lösen.


Erste Strahlen in LHC am 10. September 2008

Erste Strahlen imBeschleuniger (September 2008)

Untergrundreaktionen

Spurkammersystem

Ereignis-Display


Cosmische Ereignisse bei ATLAS

Testmessungen mit kosmischen Teilchen (Myonen):- sehr guter Test aller Detektorsysteme in Echtzeit- wichtiger Referenzpunkt zur Eichung- erfolgreiche Tests von Oktober bis Dezember 2008



Zusammenfassung

● große Beschleuniger sind nötig, um kleinste Teilchen zu erzeugen

● große Detektoren sind notwendig, um die Teilchen und ihre Zerfallsprodukte zu vermessen

● es gibt immer noch Neues zu entdecken und Rätsel zu lösen

Documents

CERN-Masterclass “Hands on Particle Physics”: Tagesprogramm · Martin zur Nedden, HU Berlin CERN MasterClass 2009 3 Ein Universum voller Teilchen Einführung in die Elementarteilchenphysik