Schülerworkshop, CERN Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

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1 Masterclasses mit LHC Daten eine Premiere Michael Kobel (TU Dresden) Schülerworkshop, CERN Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

2 Collider am CERN ALICE ATLAS CMS LHC-b LEP (e + e - ) GeV bis GeV LHC (pp) seit GeV > GeV? Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

3 Bilder vom LHC CERN visit - Introduction page 10 Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

4 Der ATLAS Detektor im Aufbau Beginn 2004 Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

5 Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

6 Erstes Ereignis bei 7 TeV am Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

7 Ziele der Teilchenphysik Warum? Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

8 Die Fragestellungen der Teilchenphysik: Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

9 Raum: Das Erkennen der kleinsten Strukturen Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

10 Zeit: Verbindung zur Kosmologie Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

11 Materie: Die fundamentalen Kräfte Jede Kraft hat eigene Botenteilchen Kraft (Wechselwirkung) Starke Kernkraft Botenteilchen Gluonen g Sh Schwache h Kraft Weakonen (W und Z) Elektromagnetismus Photonen Schwerkraft Gravitonen? Wechselwirkung nur dann, wenn entsprechende Ladung vorhanden Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

12 Die elementaren Bausteine Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

13 Feynmandiagramme Ursache jeder Wechselwirkung ist: Erhaltung von Symmetrien Ergibt eindeutiges Set von fundamentalen Vertices Alle Prozesse sind Kombination solch fundamentaler Vertices Zeit z.b. Beta zerfall des Neutrons Anm: Pfeilrichtung symbolisiert Antiteilchen Es läuft trotzdem in der Zeit nach rechts Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

14 Beispiel: Kalium 40 Instabiles Isotop mit 40 Nukleonen (19 Protonen und 21 Neutronen) Zerfällt durch den Betaminus- oder Betapluszerfall mit Halbwertszeit von 1,28 Mrd. Jahren für den menschlichen Körper lebensnotwendig: Regelt als Mineralstoff Wassergehalt in den Zellen Wichtiger Elektrolyt der Körperflüssigkeit. Ca jedes 9000ste Kaliumatom der ca g Kalium in unserem Körper ist Kalium-40. Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt,CERN

15 Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 Elektronische Bilder

16 Aktivität heute : ATLAS Experiment, LHC Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten 170 Universitäten ität und Institute aus 35 Ländern Größenvergleich Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

17 Confinement

18 Einzelne Quarks ergeben Hadronen Jets e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e p 800 GeV

19 Spurdetektor

20 Elektromagnetisches Kalorimeter (CMS) Ein Kristall: 2cm x 2cm x 23cm 26 X 0

21 Warum Bremsstrahlen Elektronen? Dominant: Bremsstrahlung im Kernfeld ~ Z 2 / m 2 Kalorimeter brauchen große Kernladung Z Myonen sind 200 mal schwerer strahlen Mal weniger

22 Hadronische Schauer Wesentlich unregelmäßiger Hadronische und Elektromagnetische ( ) Komponente

23 Das ATLAS Flüssig-Argon Calorimeter: Akkordeon

24 Teilchenidentifikation Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten feststellbare Teilcheneigenschaften: aus Quarks ( Hadronen ) elektr. geladen / ungeladen leicht / schwer 24

25 (geplante) Parameter des LHC Bis jetzt: 300 x 300 Bis jetzt: 3,5 TeV Bis jetzt: 4 MHz Bis jetzt: t 10 7 pp-stöße/sec Bis jetzt: t cm -2 s -1 Bis jetzt: ca. 3 Ereignisse überlagert

26 Was kollidiert da eigentlich? Wechselwirkung nur von Bruchteilen des Protons (Partonen: Quarks und Gluonen ) Schwerpunktsenergie der kollidierenden Partonen (q, g) E SP 1 10 E SP (pp) E SP Neue Teilchen mit Massen bis zu ~ 1 TeV (ca Protonmassen) erzeugbar

27 ij Mathematisch ˆ fi ( x1 ) f j ( x2) ij ( p1, p2 ) dx1dx2 Innere Struktur der Protonen Wechselwirkung der Partonen Parton: Bruchteil des Protons Quark oder Gluon P 1 P 2 f i (x 1 ) (x 2 ) f j p = x P p 2 = x P 22 ^ (p ij 1, p 2 ) Q _ Q PROTON BESTEHT I.W. AUS 2u + 1d QUARK U. GLUONEN

28 Die Entdeckung des W 1983 am Super-Antiproton-Proton Synchrotron (S pps) am CERN Erstes Ereignis pp W + + Das Myon ist durch den roten Pfeil gekennzeichnete e e Das Neutrino wird durch fehlenden Transversalimpuls (Summe aller Spuren!) indirekt nachgewiesen

29 Mögliche Herstellung am LHC Entweder durch Gluon-Quark oder Gluon-Gluon Aus den auslaufenden Quarks entstehen Jets

30 Charakteristik: fehlende Energie

31

32 Signaturen des W-Teilchens Am einfachsten zu sehen : ev und µv

33 ATLAS Kandidat für W

34 Massen der Teilchen Unter Benützung experimenteller Teilchenmassen beschreibt Theorie der schwachen Kraft alles, z.b. langsames Brennen der Sonne p + p D + e + + Energiegewinn: E = 0,5 MeV) Masse des Zwischenzustands m W = MeV Rate unterdrückt um ~ ( E /m 4 >10 20 W ) Fundamentales Problem Erhaltung (MeV) Experim. Theorie m W m Z m e 0,5 0 m t Grund: schwache Eichsymmetrie

35 Die Bedeutung der Teilchenmassen Größen- und Energieskala der Atome (Moleküle, Festkörper, Lebewesen, ) Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien Bindungsenergie steigt mit m e Atomdurchmesser fällt mit 1 / m e Stabilität der Nukleonen: Feine Abstimmung zwischen Starker Kraft Elektromagn. Abstoßung der Quarks Massen(differenzen): m d -m u, m d - m e 35

36 Animation: Was wäre wenn Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-quarkmasse Kleinere Elektronmasse View Online: Download: : Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, wie ihre Werte zustande kamen. / t t/rmp/ 1 R.N. Cahn, The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life (1996) V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model (1997) C. Hogan, Why the Universe is Just So (1999) Th Damour und JFD J.F.Donoghue, Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding (2007) Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt, CERN 36

37 Leeres Leeres Vakuum Alle Teilchen sind masselos bewegen sich mit Lichtgechwindigkeit Was ist Masse? Higgshintergundfeld Teilchen werden d. Wechselwirkung mit dem Higgsfeld verlangsamt Teilchen erhalten effektiv eine Masse Wert hängt von der Stärke der WW mit dem Hintergrundfeld ab Higgs-Teilchen quantenmechanische Anregung des Higgsfeldes notwendige Konsequenz des Konzepts! Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt, CERN 37

38 Mechanische Analogie zur Higgs Produktion Luft (~ Higgsfeld) normalerweise kaum zu spüren am Besten erfahrbar, wenn in Bewegung Objekte hoher Energie erzeugen Anregungen der Luft Objekte hoher h Masse erzeugen Anregung im Higgsfeld = Higgs-Teilchen Michael Kobel, Schülerworkshop Netzwerk Teilchenwelt, CERN 38

39 Higgs Suche bei ATLAS und CMS Higgs Masse unbekannt: Viele Produktionsmechanismen Viele mögliche Zerfälle Als Funktion der Masse vorhersagbar 39

40 Zweite Aufgabe für später Findet Kandidaten für H W + W -! Oder war das doch ein Z Z µ + µ - Ist das eindeutig unterscheidbar? VIEL ERFOLG!!!

41 UND VIEL SPAß!

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