CMS-Experiment

Hauptseminar „Der Urknall und seine Teilchen“

Benjamin Richter14.12.2007

CMS-Experiment

i. Large Hadron Colliderii. Experimente am LHCiii.Ziele der Experimente

(a)Higgs-Teilchen(b)Supersymmetrie(c)Quark-Gluon-Plasma(d)CP-Verletzungen mit B-Mesonen

iv.CMS-Experiment(a)Aufbau, Daten, Fakten(b)Mögliche Versuchsergebnisse(c)Detektortypen

Large Hadron Collider

Large Hadron Collider Ringdurchmesser: 27km Schwerpunktsenergie: p-p-Kollision 14TeV

Schwerionkollision 1150TeV B-Feld von 9Tesla bei Temperatur von 1,9K Kollision alle 25ns mit Paketen aus 1011 p+

25 Proton-Proton-Kollisionen pro Paket 109 Kollisionen pro Sekunde pro Kollision entstehen ca. 200 Teilchen Trigger wägt ab ob Ereignis interessant (3μs)

Daten müssen zwischengespeichert werden Verbleibende 100 Ereignisse/sec produzieren

mehrere Peta-Byte (1015) an Daten pro Jahr Immenser Rechenaufwand (GRID)

Detektoranforderungen

müssen hohe Impulsauflösung (auch im TeV-Bereich) gewährleisten Detektoren werden größer (ALV skaliert mit Länge)

müssen möglichste viele versch. Teilchen und hohen Prozentsatz nachweisen können

müssen wegen großer Teilchenflüsse extrem strahlenhart sein (im Innern ca. 104-fache nat. Radioaktivität)

Experimente am LHC

ATLAS (A Torodial LHC ApparatuS) Universaldetektor für den Nachweis des Higgs-

Bosons und supersymmetrischer Teilchen CMS (Compact Muon Solenoid)

Universaldetektor für den Nachweis des Higgs-Bosons und supersymmetrischer Teilchen

ALICE (A Large Collider Experiment) Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas das bei

der Kollision von Blei-Ionen entstehen soll LHCb (Large Hadron Collider beauty-Detektor)

Untersuchung der CP-Verletzung mit B-Mesonen (Materieteilchen, die aus einem Up- oder Down-Quark und einem Anti-Bottom-Quark bestehen)

Higgs-Mechanismus

phys. Kräfte werden durch Austausch von Eichbosonen beschrieben, jedoch haben diese eine endliche Masse Masse in Bewegungsgleichung berücksichtigen Eichfelder nicht Eichinvariant, jedoch beruhen die

Eigenschaften der Grundkräfte darauf, dass sie sich bei Eichtransformationen nicht ändern

Verwendung des Prinzips der spontanen Symmetriebrechung Kraftgesetz bleibt erhalten Eichbosonen erhalten MasseEinführung des Higgs-Feldes

Higgs-Feld

Stellt sich überall im Universum den Teilchen in den Weg Teilchen „zwängen“ sich durch das Feld, gewinnen

an Masse und werden Träger Masse stammt aus WW der Teilchen mit dem

Higgs-Feld (wegen E=mc2) Unterschiedliche Massen sind auf untersch.

starke WW zurückzuführen Nach den Gesetzen der Quantentheorie gehören

zu Quantenfeldern entsprechende Quanten (z.B. el.mag. Feld -> Photonen)Higgs-Feld -> Higgs-Teilchen

Higgs-Feld

Lagrange-Dichte:

£higgs = (DµΦ)+(DµΦ) + mΦ+Φ – λ(Φ+Φ)2

mit: m, λ ε R Dµ = ∂µ – igTaAµ

a kovariante Ableitung Ta Generatoren der Eichgruppe Aµ

a Eichfelder die Masse erhalten sollenAus Lagrange-Dichte ist noch nicht erkennbar wie die Massen der Eichfelder zustande kommt

Higgs-Feld

Potential des Higgs-Feldes:

V = –mΦ+Φ + λ(Φ+Φ)2

Φ reell-> w-förmige ParabelΦ aber komplex ->Rotationsfigur

der Parabel-> Mexikanerhutpotential->Minima des Potentials sind

günstiger Energiezustand->entarteter Grundzustand (kreisförmig, 2 Freiheitsgrade)

Higgs-Feld

Phase kann vernachlässigt werden, da man für versch. Werte nur auf einer anderen Stelle des Minimalkreises herauskommt

Zweiter Freiheitsgrad wird als Teilchenfeld aus Higgs-Bosonen aufgefasst Eichbosonen erhalten Masse

Higgs-Teilchen

Die Untergrenze für die Masse des Higgs-Bosons wurde auf 114GeV/c² festgelegt

Die Obergrenze wird auf 200GeV/c² geschätzt Das Higgs-Boson und seine Masse können

nicht direkt sondern nur über seinen Zerfall in Elementarteilchen nachgewiesen werden

Higgs zerfällt in zwei Z-Bosonen die sofort in Jets von Hadronen (gelbe Bündel nach oben) bzw. ein Elektron-Positron-Paar (rote Linien nach rechts unten) zerfallen

Higgs-Masse

Es hängt von der Masse des Higgs-Teilchens ab, in welche Teilchen und über welchen Prozess es zerfällt!

Signifikanz (Verhältnis von Signal zu Untergrund) müsste nach einigen Jahren größer als 5 Standardabweichungen sein.

Supersymmetrie Jedes Teilchen mit halbzahligem Spin hat einen

supersymmetrischen Partner mit ganzzahligem Spin und umgekehrt

SUSY-Teilchenmasse > 1TeV/c² Familie von Higgs-Teilchen ist Kandidat für

SUSY-Teilchen (sofern man sie am LHC findet) Minimale Supersymmetrische Erweiterung des

Standardmodells (MSSM)

Supersymmetrie

Mit Hilfe der Supersymmetrie lassen sich die unterschiedlichen Kräfte viel besser zu einer einzigen Kraft vereinen. Diese Urkraft soll kurz nach dem Urknall die einzig Herrschende Kraft gewesen sein. Durch das Abkühlen des Weltalls hat sich die Urkraft in die verschiedenen uns heute bekannten Kräfte aufgespalten.

Supersymmetrie

SUSY-Teilchen sind Kandidaten für dunkle Materie z.B. Neutralino (unbekannte neutrale Teilchen) Würde im Detektor einen großen Impuls senkrecht

zur Strahlachse wegtragen ohne direkt nachgewiesen werden zu können

Scheinbare Verletzung der Impulserhaltung

Quark-Gluon-Plasma

Kernbausteine eines Atoms bestehen aus Quarks welche von Gluonen zusammengehalten werden

Bei hoher Temperatur und Dichte verlieren Protonen und Neutronen ihre Identität und Quarks werden freigesetzt T ~ 105 TSonne (~200MeV) Dichte wie im Zentrum eines Neutronensterns

(~30GeV/fm³)

Quark-Gluon-Plasma

Quark-Gluon-Plasma Beschreibt Zustand ~10µs nach

dem Urknall Quarks und Gluonen sind quasifrei Abkühlen des Universums unter

kritische Temperatur für Quarks führt zum ausfrieren von Hadronen

Protonen, Neutronen und leichte Atomkerne entstehen

Am LHC kollidieren Blei-Ionen mit 1150TeV um diesen Zustand kurz nach dem Urknall und die entstehenden Hadronen zu untersuchen (ALICE)

CP-Verletzung an Mesonen

Mesonen sind aus Quark und Antiquark aufgebaut und zerfallen nach kurzer Halbwertszeit in Myon und Neutrino bzw. Antineutrino

Zerfällt ein Teilchen über ein anderes Gesetz als sein Antiteilchen spricht man von CP-Verletzung

CP-Verletzung

C: Ladung (charge) bzw. Teilchen-Antiteilchen-Vertauschung K0-Ḵ0-Mischung: schwache Kraft lässt K0-Mesonen

nicht nur zerfallen, sondern erlaubt es ihm auch in sein Antiteilchen überzugehen

P: Parität bzw. Rechts-Links-Vertauschung (Spiegelung)

Innerhalb CP: rechtsgeschraubtes Antineutrino verhält sich wie linksgeschraubtes Neutrino Das ist bei K- und B-Mesonen nicht der FallCP-Verletzung könnte Grund für Überschuss an Materie im Universum sein

Compact Muon Solenoid

21m lang15m Durchmesser12500t schwer

Warum „Compact“?

A TL A S

C M S

A TL A S

C M S

Compact Muon Solenoid

Die ersten Ideen reichen bis ins Jahr 1990 Mittlerweile arbeiten über 2000 Wissenschafler

aus 38 Ländern und 178 Instituten daran Baubeginn war vor ~5 Jahren Fertigstellung und in Betriebnahme Anfang bis

Mitte 2008 Der Spurendetektor und die beiden Kalorimeter

werden von einer supraleitenden Spule umgeben (13m lang, d=6m, durch den auf -270°C gekühlten Supraleiter aus Niob-Titan fließt ein Stom von 20000A und induziert ein Magnetfeld von 4Tesla (~105 BErde)

Mögliche Zerfallsmuster

mHiggs ~ 100GeV/c²

Mögliche Zerfallsmuster

mHiggs ~ 130GeV/c²

Mögliche Zerfallsmuster

mHiggs ~ 150GeV/c²

Mögliche Zerfallsmuster

mHiggs ~ 800GeV/c²

Dem Higgs auf der Spur

Der aussichtsreichste Reaktion ist, dass das Higgs in 4 Leptonen zerfällt

Transverse slice through CMS detectorClick on a particle type to visualise that particle in CMS

Press “escape” to exit

Spurendetektor

Der Spurendetektor besteht aus fein segmentierten Sensoren aus Silizium (Streifen- und Pixeldetektoren)

Ermöglichen die Rekonstruktion von Teilchenspuren und die Bestimmung ihrer Impulse

Insgesamt verfügt der CMS Tracker über 25000 Silizium Streifen Sensoren auf einer Fläche von 210m²

Elektromagnetisches Kalorimeter

~80000 Kristalle aus Bleiwolframat messen die Energien von Elektronen und Photonen Szintillationslicht der Kristalle wird mit einem

Fotodetektor eingefangen, verstärkt und digitalisiert

Preshower Detektor

Ein „Presshower-Detektor“ aus Silizium-Sensoren verbessert die Teilchenidentifikation in den Endkappen des elektromagnetischen Kalorimeters (γ-π0 Abtrennung)

Hadronkalorimeter

Abwechselnde Lagen aus Messing oder Stahl (Schauermedium) und Kunststoffszintillatoren oder Quarzfibern (Nachweismedium) erlauben die Bestimmung der Energien von Hadronen

Myondetektoren

Es werden drei Arten von gasförmigen Myondetektorentypen verwendet: Driftröhrenkammern (DT), Kathodenstreifenkammern (CSC) und Widerstandsplattenkammern (RPC)

Die DT und CSC benutzt man, um genaue Messungen der Position und des Impulses des Myons zu machen

während die RPC Kammern schnelle Information für die Level-1 Trigger geben sollen

Myondetektoren

Die Myonen werden außerhalb der Spule nachgewiesen (sie durchdringen alle inneren Detektoren)

Das Eisenjoch wird von vier Messstationen unterbrochen, in den bis zu 10m² großen Driftkammern wird die Richtung und der Impuls der Myonen nachgewiesen Magnetfeld im Rückflussjoch wird ausgenutzt

Durchgangszeit wird in Parallelplattenkammern auf 1ns genau bestimmt

Triggersystem

~ 1Higgs pro 1013

Kollisionen 1 Higgs pro Tag

Warum 2 nahezu identische Detektoren

Eiserner Grundsatz der Elementarteilchen- Physiker: bei einem so großen und einmaligem Projekt werden für die grundelegenden Experimente mindestens 2 Detektoren benötigtGegenseitiges Ergänzen und Überprüfen

Experimente müssen sich möglichst stark unterscheiden (bei ATLAS wird ein anfangs umstrittener Luft-Toroid für die Myonen-Messung verwendet)

Ausblick

CMS-Detektor wird momentan am LHC zusammengebaut

Mittlerweile schon erste Testläufe des Beschleunigerrings (12.11.2007)

Start wurde auf Sommer 2008 verschoben

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Quellen: cms.cern.ch de.wikipedia.org Physik Journal (2.2006 und 3.2007) www.weltderphysik.de www.pro-physik.de dict.leo.org (Danke fürs Übersetzen)