Einblicke in Forschungsprojekte des MPP · Habemus Higgsum S.Bethke, MPP München Univ. Dortmund, 8. April 2013 6 Quarks Leptonen Generation u d ν e c s t b ν µ ν τ e µ τ 1

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 1

Teilchen, Thesen, TemperamenteEinblicke in Forschungsprojekte des MPP

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014

DirektorenProjektleiter

Temperamente


Mikrokosmos Makrokosmos

Physikalische Grundlagenforschung am MPP


Struktur der Materie

auf den kleinsten und grössten

Skalen

Technologie- Entwicklung

Theorie Experiment

Hochpräzision bei kleinen Energien

Teilchenbeschleuniger bei höchsten Energien

Kosmische Quellen

Struktur und wissenschaftliche Themen des MPP

LHC, hl-LHC, Awake, Detektorentwicklung Teilchen-Phänomenologie, Fundamentale Theorie

BELLE, GERDA Detektorentwicklung Teilchen-Phänomenologie, Fundamentale Theorie

MAGIC, CRESST, Detektorentwicklung Teilchen-Kosmologie, Astro-Teilchen-Phänom.

Teilchenphysik Astro-Teilchenphysik


Dimensionen und Struktur der MaterieUniversum 1026 m

Galaxie 1021 m

Erde 107 m

Mensch 100 m

Atom 10-10 m

Atomkern 10-14 m

Nukleon 10-15 m

Quark; Lepton < 10-18 m

Sonnensystem 1013 m

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Dimensionen und Struktur der Materie

Habemus Higgsum S.Bethke, MPP München Univ. Dortmund, 8. April 2013 6

Quarks

Leptonen

Generation

ud

νe

cs

tb

νµ

ντ

µ τe

1 2 3

Elementare Teilchen Elementare KräfteAustauschboson

StarkEl.-magn.Schwach

G

gγ

W±, Z0

Gravitation

11/137

10-14

10-40

relative Stärke

... sowie deren Antiteilchen

theoretische Vorhersage zur Erklärung der verschiedenen Teilchenmassen:

das HIGGS Bosonbis vor kurzem noch unentdeckt

Damit werden alle bekannten Teilchen und Kräfte beschrieben!(bekannte Materie besteht aus Teilchen der 1. Generation)

Beschreibung der Kräfte (ausser Grav.!) durch Quantenfeldtheorien

Das „Standardmodell“ der Teilchenphysik Teilchen und Thesen:


Nukleosynthese von Helium

10 K 1 sec.10

QUANTEN- GRAVITATION

GROSSE VEREINHEITLICHUNG

Inflation

Antiquarks verschwinden

Formation von Protonen und Neutronen

Positronen verschwinden

Asymmetry Q - Q L - L

10 K 10 sec-1015

10 K2710 sec-34

10 K31

10 sec-43

Temperatur Alter

Wir sind hier

Entstehung von Sternen und Galaxien

erste Supernovae

1 1 K 1 Milliarde Jahre

UNIVERSUM WIRD TRANSPARENTBildung von Atomen. Entkopplung von Strahlung und Materie.

1.000 K 300 000 Jahre

Proto-Galaxie

Schwere Sterne

Schweres Atom

Wasserstoff Atom Helium Atom

n npp

n npp

pp

pp Elektron

e ee

Proton (Wasserstoff-Kern)

Helium-Kern

γ

γγ

e

e Photonnn n Neutronp peγ

.

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e QQQ

νν

e QQQ

Q

Q Q

Q

Z

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Xν

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Proton(Baryonen)

QQQQ

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Q

νν

ν

ν

ν

γGluon

eePositron

GEGENWART

Zeit

mat

erie

dom

inie

rte Ä

rastr

ahlu

ngsd

omin

ierte

Ära

ν

ν

νNeutrino

ν

ν

ν

νν

ν

γ

γ2.7 K 13.7 Milliarden

Jahre

“Urknall”

Teilc

henb

esch

leun

iger

1016 K 10-15secLHC

Ast

rono

mie

Das expandierende Universum

7

S. Bethke, S. Menke Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS07Physik mit kosmischen und irdischen Beschleunigern SS14 V1: Einführung S.Bethke, MPP München

Das Standardmodell der Teilchenphysik...

... kann jedoch nicht die ultimative Theorie sein!

es lässt viele fundamentale Fragen offen:

8 !

• Erzeugung der Teilchenmassen (Higgs-Boson?)

• bisher noch keine Quantenfeldtheorie der Gravitation

• Vereinheitlichung aller Kräfte (GUT; TOE) ?

• wo ist die Antimaterie geblieben ? („warum gibt es uns?“)

• was sind die „Dunkle“ Materie und Energie die 95% unseres Universums ausmachen?

• ... beschreibt erfolgreich und präzise alle bekannten Teilchen und Kräfte

• warum sind Neutrinos nicht masslos?


dark

matter

if it’s not

it doesn’t

Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V08: Dunkle Materie 10Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014


the most en vogue candidatesto solve (some of) these problems:

• Supersymmetry (SUSY) + fully compatible with and supported by GUT’s + offers excellent Dark Matter candidates + theory finite and computable up to Planck Mass + essential for realisation of string theory (including quantum gravity) - no SUSY signals seen yet (LEP, Tevatron) - (too) many free parameters, large parameter space

• Extra Space Dimensions + would solve hierarchy problem (MPlanck –> O(1 TeV)) + inspired by string theory: compactified extra dimensions +- exciting scenarios, but cannot solve many of above problems? - large model dependences


die “coolsten” Kandidaten zur Lösung dieser Fragen:

• Super-Symmetrie (SUSY)+ voll kompatibel mit GUT (grosse Vereinheitlichung aller Kräfte)+ bietet exzellente Kandidaten für Teilchen der Dunklen Materie+ Theorie “endlich” und berechenbar bis

zur Planck-Masse (1019 GeV) + essentieller Bestandteil der String-Theorie- bisher keine SUSY Signale gesehen- (zu) viele Parameter; grosser Parameter Raum

• Zusätzliche Raumdimensionen+ Lösung einiger Probleme des SM

(Hierarchie-Problem)+ inspiriert von String-Theorie;

kompaktifizierte Extra-Dimensionen- grosse Modellabhängigkeiten


Projekte


July 4, 2012:„observation of a new boson“


Der ATLAS Detektor am Large Hadron Collider

Planung & Aufbau von 1990 bis 2008; Betrieb ab 2009, für ~ 20-25 Jahre

Länge: 44 m Höhe: 22 m Gewicht: 7000 t

3000 Physiker & Ingenieure 175 Institute

40 Nationen

150•106 elektron. Auslese-Kanäle 40 MHz Kollisionsrate

1014 B/s Rohdatenfluss

end cap hadron calorimeters

outer muon barrel chambers

fwd Si trackerBeiträge des MPP:



Higgs Kandidat


Kosmische StrahlungQuelle hochenergetischer Teilchen

MAGIC Teleskope


Zukunft: Cherenkov Telescope Array

SNRs AGNsCluster of GalaxyBinaries GRBs

Targets

Ursprung kosmischer Strahlung

Dunkle MaterieKosmologiehoch energetische Objekte

Raum & Zeit

wissenschaftliche Ziele:


High Energy Gamma Ray Astronomy !CTA will bring many new discoveries and findings. Strategy and Physics beyond CTA will be dependent on these new findings



Suche nach der Dunklen Materie

• direkt: – Large Hadron Collider ... (direkte Produktion und Vermessung der Eigenschaften) – Suche nach WIMP* Stößen in Cryo-Detektoren

• indirekt: – WIMP Paar-Vernichtung in Erde, Sonne, Galaxie- Zentrum (in 2 Photonen, oder Neutrino-Antineutrino; Neutrino-Teleskope wie ICECUBE, cosmic ray exps.)

• weiterhin auch noch: – Suche nach nichtleuchtender, baryonischer Materie (MACHOS, massive compact halo objects)

• primordial black holes ...?* WIMP: Weakly Interacting Massive Particle

22


Kristalle im Kryostat bei µK Temperaturen.

Gran Sasso: Abschirmung kosmischer Strahlung

CRESST - Suche nach Dunkler Materie


WIMPThermometer

WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles;

CRESST - kryogene Suche nach WIMPs


Suche nach neutrinolosem Doppel-beta-Zerfall von 76Ge

Das GERDA Experiment


Belle II am Super KEKB (Japan)Präzisionsmessungen bei kleinen Kollisionsenergien zur Suche nach Physik jenseits des Standardmodells

e+e- Beschleuniger am KEK, Japan. eine sogen. “b-quark factory” Betriebsbeginn: Ende 2016

Si-Pixel vertex detector (Entwicklung am MPG-HLL)

50x50 μm2 8 MPixels, 50 kHz



Plasma Wake Field AccelerationEntwicklung eines neuartigen Beschleunigungsprinzips



Gegenwärtiger Zeitplan für globale Grossprojekte der Hochenergie-Teilchenphysik

2010 2015 2020 2025 2030

LHChl-LHC

ILC

CLIC, FCC;…

2035

R&Dconstructionrunning

sKEKb

Zukunft


International Linear e+e– Collider (ILC)


Linear Collider Detektorentwicklung

neue fundamentale

Formen von Materie & Kräften

TheorieTechnologie Entwicklung

Experiment

höchste Energien (Beschleuniger)

höchste Präzision (niedrige Energien)

kosmische Quellen

MPP Zukunftsthemen und Strukturen

hl-LHC, ILC, FCC; Awake particle phenomenology, fundamental theory

Belle-II, GERDA-II !particle phenomenology fundamental theory

CTA direct DM searches particle cosmology, astro-particle phenom.


Documents

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