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Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 1 I n h Jenseits der Antimaterie Peter Schleper Universität Hamburg Göttingen, 1.12.2005 Jenseits der Antimaterie Neue Teilchenphysik am LH

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Peter Schleper Göttingen, 1.12.2005 1

Inh

Jenseits der Antimaterie

Peter Schleper

Universität Hamburg

Göttingen, 1.12.2005

Jenseits der Antimaterie -

Neue Teilchenphysik am LHC

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Inh

Das Standard Modell:Teilchen und Kräfte

Materie-Teilchen:

1. Generation

Entdeckungen2. Generation: Muon, Strange Quark Vorhersage: Neutrino,Charm3. Generation: Tau, Bottom Vorhersage: Neutrino, Top

Naturkräfte:1. Elektromagnetismus2. Schwache Kraft3. Starke Kraft4. Gravitation ???

…wegen Symmetrie zur 1.Generation

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Inh

Grundbausteine der Natur

• Warum diese el. Ladungen ? e- : -1 Proton: +1• Warum diese Massen ?• Warum Unterschied für Fermionen und Bosonen ?

Austauschteilchen

Materieteilchen

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Inh

Materie und Antimaterie Relativität und Quantentheorie

DIRAC 1928 :Einstein 1905:

Masse ist eine Form von Energie• Aus Energie kann neue Masse entstehen

Quantentheorie: Teilchen Wellen-GleichungenElektron hat Spin ½: zwei Freiheitsgrade

Relativistische Quantentheorie: Lösung nur für 4 Freiheitsgrade

E2 = m2c4 + P2 c2

E = + (m2c4 + P2 c2)1/2_ Elektron + ??? Anti-Elektron

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Inh

Antimaterie: Entdeckung

Höhenstrahlung: Teilchen aus dem Kosmos Nachweis durch Ionisation in Nebelkammer (Kondensation)

E: Energie aus Reichweite und Ionisation: ~20 MeV

P: Impuls und Ladung aus Krümmung im B-Feld

Masse wie Elektron, aber Ladung positiv

Anti-Elektron = Positron

e+

e+ e-

e+e-

1933:

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Inh

Antimaterie II

Photo einer TeilchenreaktionHöhenstrahlung

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Inh

VorhersagenSymmetrie der Natur

Lorentztransformationen lassen die Natur (physikalische Experimente) unverändert

neue mathematische Struktur der Physik:

Dirac Gleichung

erlaubt nur eine (wenige) Lösungen:

Dirac: 2 Lösungen mit 4 Freiheitsgraden

Vorhersage neuer Natur-Phänomene:

Teilchen und Antiteilchen mit Spin 1/2

1. Rel. QM Antimaterie2. Eich-Symmetrie Kräfte und Austausch-Teilchen3. Spin-Symmetrie Supersymmetrische Teilchen

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Inh

Standard-Modell der Teilchen und Kräfte

Vorhersage von

Z,W,Higgs,

Selbstwechselwirkung

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Inh

Schwache Wechselwirkung und Higgs

LEP Beschleuniger: e+e- ….Präzisionstest der Teilchenphysik

Z0

Z0 Z0

W+W-

Alle Experimente stimmen mit dem Standard Modell

überein !!…falls das Higgs existiert und

MH < 250 GeV

Sonst: WiderspruchAlternativen ????

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Inh

Starke Wechselwirkung im ProtonHERA ep Beschleuniger

ZEUSExperiment

e+

Momentaufnahme der

Quantenfluktuationen

im Proton

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Inh

Impuls-Bild des Protons

Valenz-Quarks(Quantenzahlen)

X = PQuark, Gluon / PProton

Gluonen

See-Quarks

einzelnes Quark/Gluon trägt fast gesammte Energie

Starke Wechselwirkung sagt

Quark-Gluon & Gluon-Gluon

Wechselwirkung korrekt vorraus

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Inh

Extrapolation des Standard-Modellselm, schwach,s hängen durch

Quanten-Korrekturen von Energie ab !

Alpha_s figure

Standard Model SupersymmetrieSupersymmetrie

Vereinheitlichung der Naturkräfte durch Supersymmetrie ?! bei 1016 GeV

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Inh

Spin / Supersymmetrie

1/21/2 Leptonen (e, Leptonen (e, ee, …), …)Quarks (u, d, …)Quarks (u, d, …)

11 GluonenGluonenWW

ZZ00

Photon (Photon ())

00

22

HiggsHiggs

GravitonGraviton

SpinSpin StandardteilchenStandardteilchen

Sleptonen (e, Sleptonen (e, ee, …), …)

Squarks (u, d, …)Squarks (u, d, …)

SpinSpinSuperpartnerSuperpartner

00

1/21/2GluinosGluinosWinoWinoZinoZinoPhotino ( Photino ( ))

1/21/2

3/23/2

HiggsinoHiggsino

GravitinoGravitino

~~

~~ ~~~~~~

die neue Teilchen-Welt

Andere Hinweise auf SUSY ?Entdeckung ?

Leichtestes SUSY Teilchen

ist stabil.

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Inh

Dunkle Materie im KosmosGravitation ~ 1/r2 Rotationskurven (Keppler)

Neue Form unsichtbarer Materie: Neue Form unsichtbarer Materie: “ Dark Matter = SUSY Teilchen ?“ Dark Matter = SUSY Teilchen ?

Sonnensystem

Galaxie NGC6503

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Inh

LHC: Large Hadron Collider

Start: 2007

Jetzt:Bau der Experimente

CERN: Europäisches Zentrum für Teilchenphysik in Genf

Proton-Proton Kollisionen bei 14000 GeV (bisher 2000 GeV)

Faktor 1000 mehr Kollisionen als bisher

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Inh

CMS Experiment: Compact Muon Solenoid 38 Nationen171 Institute2250 Physiker

Wachstum in 2005:

16 neue Institute

Deutsche Gruppen: D-CMS• RWTH Aachen• Uni. Hamburg• Uni. Karlsruhe

•Myon Driftkammern•Silicon Strip Tracker

Ziele: Entdeckung des Higgs und der Supersymmetrie

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Inh

Commissioning CMS with Cosmics

CMS Cosmic MyonsCMS Myon System

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Inh

Silizium Spur-Detektor

Streifen Detektor:

220 m2 Si, 15000 Module

10 Mill. Streifen

TEC R3 Modul

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Inh

Supersymmetrie - Simulation bei LHC

1 MB je Kollision alle 25 ns

Filter: Faktor 106

2 Petabyte Daten / Jahr

109 Ereignisse

Simulationen

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Inh

Entdeckung der Supersymmetrie

Komplexes Massenspektrum:Schlüssel fuer Brechung

der Supersymmetrie

Entdeckung von SUSY-Quarks

bis zu Massen von 3 TeV

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Inh

Indirekte Hinweise auf SUSY

Genaue Messungen von Mt, MW erlauben

Ausschluß des SM und Bestätigung von SUSY ?…

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Inh

Zukunft: e+e- Linear Collider (ECMS=1000 GeV)

Z0

Energie-Schwelle

Higgs: e+e- Z H Ecms > mZ + mH

SUSY: paarweise sleptonen, charginos

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Inh

An der GUT Skala…

Physik bei 1016 GeV:

Extrapolation der gemessenen SUSY-Massen zu hohen Energien:

Vereinheitlichung der fundamentalenParameter der Natur: •Kopplungen, •Massen, •Mischungswinkel

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Inh

Extrapolation der Naturgesetze

Kosmologie und Teilchen

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Inh

Entdeckungen bei LHC

Meine persönliche Meinung:

SUSY als theoretisches Konzept ist überzeugend:

Entdeckung schon sehr früh bei LHC

Higgs: experimentell deutlich schwieriger

Entdeckung dauert 2-3 Jahre… falls es existiert

Überraschungen: durchaus möglich !!!

Large extra dimensions

neue Wechselwirkungen

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Inh

E=mc2 Materie – Antimaterie - Supermaterie Erzeugung

HiggsSupersymmetry

Extra DimensionenSchwarze Löcher

Experimenteller Urknall

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Backup: Das CMS-ExperimentCompact Muon Solenoid – 100m unter der Erde

CMS-Surface-Area

LHC-Tunnel

CMS-Halle

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Inh

Backup: Higgs Entdeckung bei CMS

Ziel von CMS: Eindeutige Entdeckung des Higgs

im gesamten Massen - Bereich

gg H Massenverteilung der - Paare

Untergrund

subtrahiert

H

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Inh

Backup: QCD - Dynamik des Protons unter der Lupe

),(2

~ 2242

2

QxFxQdxdQ

d

F2 beschreibt dynamischeStruktur des Protons

Q2: (Impulsübertrag)2 von e auf p [~1/Q]

[ QPM: F2(x) = eq2 xq(x) ]

Elektron

Proton

(Q2)

x

Hohe Energie: ep-Streuung ~ eq-Streuung!

HERA: Ideales Laborzur Untersuchung der Fluktuationen der Quantenfelder im ProtonGluonen und See-Quarks

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Inh

Backup: Higgs Zerfälle am ILC

Große Genauigkeitfür Test des SM

ZHH Kopplung !

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Inh

Backup: Theorien der Physik

Energie, Temperatur, -Zeit