Protonen bei höchsten Energien

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1 Protonen bei höchsten Energien QuantenChromoDynamik und Physik am LHC Katerina Lipka Isabell Melzer-Pellmann 1

2 Organisatorisches Zielgruppe: Master und Diplom- Studenten Ablauf: Vorlesung Mittwochs 14:00-15:30, Jungiusstrasse 9, Hörsaal III Seminar: Freitags 14:00-15:30 am DESY Vorausgesetzt: Quantenmechanik, Physik V Erwünscht: Elementarteilchen für Fortgeschrittene, Detektorphysik Empfohlen als Begleitkurs: Quantenfeldtheorie, Elektroschwache Wechselwirkungen, Datenanalyse in der Physik Scheine gibt es für: Seminarvortrag Aktive Teilnahme an mind 10 Vorlesungen (sonst mündliche Prüfung) 2

3 Wann und Wo: Organisatorisches: Vorlesung Mittwochs 14:00-15:30, Jungiusstrasse 9, Hörsaal III Erste Vorlesung: 07 April 2010 Letzte Vorlesung: 14 Juli 2010 Pfingstferien: Vorlesung am fällt aus Vorlesung Teil I: V2: Einführung in QCD : Theoriegrundlagen V3: Experimentelle Tests der QCD V4: Experimente an Teilchenbeschleuniger V5-V7: Struktur des Protons Literaturliste: QCD and Collider Physics" R. K. Ellis, W.J. Stirling, B.R. Weber "Introduction to Elementary Particles" D. Griffiths "Feynman-Graphen und Eichtheorien fuer Experimentalphysiker" P. Schmüser "The Structure of the Nucleon" A. W. Thomas, W. Weise "Foundations of Quantum Chromodynamics" T. Muta 3

4 Organisatorisches: Seminar Wann und Wo Freitags 14:00-15:30, DESY Notkestrasse Geb.1 Seminar Raum 3a Vorbereitungstermine: 09 April, 16 April Erster Seminar 30 April Ausfalltermine 28 Mai (Pfingstferien), 12 Juni (Konferenz "Physics at the LHC ) Was tun Für jeden Seminar werden 2 Vortraege vorgesehen. Jeder Vortrag ist 30 Minuten. Manche Themen koennen von 2 Studierenden geteilt werden Material wird mit Hilfe der Vorlesenden ausgesucht Vortrag ist in Deutschen oder Englischen Sprache vorzubereiten Wie Präsentation kann mit beliebigen Programm vorbereitet werden Laptop und Beamer stehen zur Präsentation zur Verfügung Themen sollen bis 09 April 2010 ausgesucht und mitgeteilt werden 4

5 Organisatorisches: Seminar Themen-Vorschläge Teil I: T1 Bestimmung der Anzahl der Leptonen-Familien, Zusammenhang mit N f T2 Entdeckung des Strange Quark T3 Entdeckung des Charm Quarks T4 Entdeckung des Beauty Quarks T5 Entdeckung des Top Quarks T6 Was ist eine "pole mass", was ist eine "running mass"? T7 Protonstruktur bei hohem x. Messungen der Fixed-Target Experimente T8 Nukleon Spin Puzzle (kann geteilt werden) T9 Erfolge der QCD (kann geteilt werden) T Jahr des D* ± Mesons. Entdeckung. Charm tagging. T11 LHC b Detektor und Physikprogramm (geteilt) T12 ALICE Experiment am LHC (geteilt) T13 Higgs Physik (Higgs Potential - warum muss es Higgs geben?) T14 SUSY (warum braucht man Supersymmetrie?) T15 Jet Algorithmen T16 Ihr Vorschlag 5

6 Protonen bei höchsten Energien QuantenChromoDynamik und Physik am LHC Ziele? Verbindung zwischen QCD und LHC Physik? 6

7 Hochenergiephysik : Warum? Physik Die Frage nach dem Leben, dem Universum und dem ganzen Rest 7

8 Die Frage nach dem Leben, dem Universum und dem ganzen Rest Was wir vom Universum heute wissen Modernes Weltbild Größe des sichtbaren Universums: 13,7 Milliarden Lichtjahre 75% Dunkle Energie 21% Dunkle Materie 4% Sichtbare Materie Fundamentale Teilchen und Kräfte Veraltetes Weltbild Wie hat es angefangen? 8

9 t < s, T = K = GeV = m Universum expandiert t=10-43? Gravitationskraft entkoppelt alle anderen Kräfte vereint 9

10 t < s, T = K = GeV = m Expansion: doppelte Größe / 10 s t=10-32 s Elektroschwache, Starke Kraft entkoppeln Materie-Antimaterie ~1/10 9 Quarks zu heiß um Hadronen zu formen: Quark-Gluon Plasma 10

11 t < s, T = K = 100 GeV=10-18 m Elektromagnetismus und Schwache Kraft entkoppeln Alle 4 Kräfte sichtbar Quark - Antiquark Vernichtung: sichtbare Materie Zerfall instabiler schwerer Teilchen 11

12 t = 10-4 s, T = K = 1 GeV = m Nukleonen gebildet Elektron-Positron Vernichtung Űberfluß von Elektronen Proton/Neutron = 75/25 Größe des Universums ~ unser Sonnensystem 12

13 t = 100 s, T = 10 9 K = 0.1 MeV =10-12 m Kerne gebildet Űbrige Neutronen zerfallen Protonen/Neutronen = 87/13 Universum: Protonen + Helium 13

14 t = Jahre, T = 6000 K = 0.5 ev = m Elektronen werden von Atomen gefangen Elemente: Wasserstoff, Helium, Lithium Universum wird heller Es werde Licht! 14

15 t = 10 9 Jahre, T = 18 K Lokale Fluktuationen der Massendichte Formation der Galaxien Nukleosynthese: Schwerere Kerne gebildet 15

16 t = M Jahre, T = 3 K Die Fragen von Heute: Was ist Materie? Woraus besteht die? Was hält sie zusammen? Fundamentale Teilchen und Kräfte Grundlegende Symmetrien 16

17 Fundamentale Teilchen und Kräfte 12 Bausteine und ihre Antiteilchen: 3 Fermion-Familien 1 Familie: 2 Familie: 3 Familie: 4 fundamentale Wechselwirkungen (WW) Gravitation, Elektromagnetismus, schwache, starke WW Erzeugen, binden und vernichten Teilchen mit Hilfe des Austauschs von Austauschteilchen: Bosonen Graviton, Photon, W, Z Boson, Gluon 17

18 Das Standard-Modell der Teilchenphysik Beschreibt die fundamentalen Wechselwirkungen Starke Kraft (Kernkraft) Schwache Kraft (Umwandlungsprozesse von Teilchen) Elektromagnetische Kraft Gute Beschreibung aller bekannten Prozesse Zerfälle von Teilchen Innere Struktur nicht fundamentaler Teilchen Systematik aller bekannten Teilchen Beruht auf Symmetrie-Prinzipien Sehr erfolgreiche physikalische Theorie 18

19 Die Fragen des Standardmodells 3 Fermion-Familien Stabile Materie (p, n, e) nur aus erster Familie Warum drei? Alle Wechselwirkungen beruhen auf Ladungssymmetrien Warum diese Symmetrien? Weitere Symmetrien? Fermion Austauschboson Symmetrie (Supersymmetrie)? 19

20 Symmetrien in der Physik Vereinfachung von Problemlösungen Erkennen von Systemeigenschaften: Erhaltungsgrößen, Invarianz Klassifizierung Vereinheitlichung der Naturkräfte Noether Theorem: Symmetrie Erhaltungsgröße ( Kraftgesetz) Physikalische Gesetzte sind unabhägig von: Nullpunkt der Zeitachse Erhaltung der Energie Nullpunkt der Raumachsen Erhaltung des Impulses Newtonsches Kraftgesetz Richtung der Raumachsen Erhaltung des Drehimpulses 20

21 Eichsymmetrien: Folgerung aus dem Noether-Theorem Die Natur besitzt eine lokale Eichsymmetrie Die lokale Eichsymmetrie ist ein fundamentales Naturgesetz Die gesamte Theorie der elektromagnetischen Kraft folgt zwingend aus dieser lokalen Eichsymmetrie Die elektromagnetische und die schwache Kraft sind nur zwei Aspekte einer fundamentaleren elektroschwachen Kraft Die gesamte Theorie der elektroschwachen Kraft folgt zwingend aus einer lokalen Eichsymmetrie Die verallgemeinerte lokale Eichsymmetrie ist ein noch fundamentaleres Naturgesetz 21

22 Massen fundamentaler Teilchen 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 Peter Higgs (1964) Masse keine Eigenschaft der Teilchen! Symmetriebrechung erzeugt neues, massives Higgs -Feld Konsequenz: W- und Z-Bosonen werden massiv Erzeugung von Massen durch Kopplung an das Higgs-Feld 22

23 Die Fermion-Massen Erhalten Fermionen Masse durch spontane Symmetriebrechung? Entsteht Masse durch Kopplung an ein Higgsfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede? Masse (MeV/c²) E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E Familie 2x10 13 Up Typ Down Typ Lepton +/- Neutrino 23

24 Die Fermion-Massen Ändern von m u,m d oder m e : kaum Effekt auf makroskopische Massen (mehr dazu später) riesigen Effekt auf Verhalten der Materie! m d m e 1 MeV kleiner: Wasserstoff -Umwandlung möglich! keine Wasserstoff-Atome, n stabil p n W - e - ν e m d m u 2 MeV kleiner: Proton- und Deuteriumzerfall Keine Materie mehr 24

25 Ursprung der Fermion-Masse: Higgs? Überprüfen der Higgs-Hypothese: Entdecken Higgs Boson(en) und Messen ihre Zerfälle Was lernt man über Masse? Die Stärke der Kopplung ans Higgs-Feld Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher? Nein! Außer M W / M Z Verhältnis stimmt auf besser als 1%0 Standardmodell Vorhersage: M W =(80.36 ± 0.02)GeV Direkte Messung: M W =(80.40 ± 0.03)GeV Mehr zu Higgs: Teil 2 der Vorlesung 25

26 Weitere offene Fragen Was ist mit Gravitation? Gibt es eine fundamentale Kraft? Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde? Gibt es zusätzliche Dimensionen? Kennen wir alle Teilchen (Supersymmetrie)? 26

27 Erweiterung des Standard-Modells Fermion electron quark photon Boson Boson selectron squark photino Fermion vereinigt Bosonen mit Fermionen Kraft mit Materie 27

28 Supersymmetrie Vereinigt die Grundkräfte M X ~ GeV τ p ~ a Brücke zur Gravitation Brücke zur Urkraft Kräfte Vereinigung bei M X = GeV Leichtestes SUSY-Teilchen: Kandidat für Dunkle Materie M X ~ GeV τ p ~ a Keine genaue Symmetrie: SUSY Teilchen viel schwerer m Pl Mehr zu SUSY: Teil 2 der Vorlesung 28

29 Hochenergiephysik : Warum? Hohe Energie 29

30 Experimente mit Teilchenstrahlen Teilchenstrahlen höchster Energie notwendig, denn mit steigender Energie E (bzw. Impuls p) der Projektile steigt die Fähigkeit, kleine Strukturen Δx zu erkennen Δx Δp = ħ die Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen E = mc 2 Streuexperimente: Kollision von Teilchenstrahlen mit Materie Kollision von zwei Teilchenstrahlen 30

31 Kleine Strukturen Sehen Sehen = Abbilden Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor) Auflösungsvermögen Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Projektilgröße << Größe der Strukturen Lustige Animation aus dem Internet 31

32 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle 32

33 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Tennisbälle 33

34 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Murmeln Mikroskopisch: Größe = Wellenlänge 34

35 Auflösungsvermögen und Energie Beispiel: wenn Objekte nur in Rot- oder Blaulicht sichtbar wären Rot Blau: Energie 1.5 mal höher Photonen im blauen Bereich energetischer: das Bild wird schärfer Auflösung kleiner Strukturen: hohe Energie! Mikroskope der Teilchenphysik: Hochenergiebeschleuniger 35

36 Instrumente der Teilchenphysik Höchste Energie erreichbar am Large Hadron Collider : Proton-Kollisionen mit Schwerpunktenergie von 7, 10, 14 TeV LHC (CERN): 27 km Ring nahe Genf Neue Entdeckungen in den nächsten 5 Jahren Präzisionmessungen in Standard Modell Suche nach neuen Physik 36

37 LHC: Tatsächlich Die Weltmaschine? Higgs erklärt die Masse der Materie Falsch: nur 1% der Masse nuklearer Materie ist durch Quarks gegeben LHC erreicht Energien die noch nie am Beschleuniger erreicht wurden Richtig: LEP (CERN) 100 GeV, HERA (DESY) 320 GeV, Tevatron 2 TeV Die erste Reise der Teilchenphysiker zum Urknall Falsch: mit LHC sind 1 Größenordnung näher, doch 13 Größenordnungen entfernt LHC Tevatron 37

38 Kollisionen am LHC: Proton - Proton Kollisionen u 90% Gluon-Gluon Fusion, 10% Quark-Quark u t d t t Higgs d u u 38

39 Kollisionen am LHC: Proton - Proton Kollisionen 90% Gluon-Gluon Fusion, 10% Quark-Quark Untergrund: QCD Prozesse: gg Hadronen qq Hadronen Entdeckungen u u d t t Higgs Untergrundereignisse t d 10 6 öffter als u u Signal Ereignisse LHC Rate der Teilchenerzeugung Schwierigkeit: Untergrund effizient unterdrücken Notwendig: QCD präzise zu verstehen Energie, TeV 39

40 Protonen bei höchsten Energien Teil 1 QuantenChromoDynamik Paar Worte über Masse der Dinger 40

41 Sichtbare Materie: Atom Elektron + Kern 41

42 Sichtbare Materie: Atom Elektron + Kern Nukleonen (p, n): Quarks Nukleonmasse M N ~ 1 GeV = 1.8 x kg 42

43 Quarks: Fundamentale Bausteine der Materie Quark Sorte (Flavour): down strange beauty Masse : M N 0.15 M N 4.5 M N in Einheiten der Nukleonmasse (M N ) up charm top M N 1.6 M N 171 M N Nukleonen (Proton uud, Neutron udd): Eigenschaften durch Valenz-Quarks bestimmt Valenz-Quarks fast masselos Die Masse der Materie ist nicht mit Quarkmasse zu erklären! 43

44 Struktur der Nuklearen Materie Starke Kraft hält die Materie zusammen Träger der Starken Kraft: Gluonen Besondere Ladung: Farbe Quarkgröße <10-8 Å Menschenhaar <10 6 Å Nukleonstruktur in QuantenChromoDynamik: Valenzquarks bestimmen die Quantenzahlen Gluonen erzeugen See-Quark Paare Quarks und Gluonen tragen ein Anteil vom Gesamtimpuls des Nukleons Energie der Quarks und Gluonen Nukleonmasse? p,n Untersuchung der Nukleonstruktur: sehr hohe Auflösung notwendig! 44

45 Supermikroskop HERA am DESY Protonen 920 GeV Kollisionen bei 320 M N Elektronen 27 GeV e γ d u u Q 2 HERA Auflösung 10-8 Å Weltweit Einzigartig: Protonstruktur wurde aufgelöst mithilfe virtueller Photonen (Tief inelastische Streuung) Häufigkeit solcher Ereignisse: Protonstruktur 45

46 Masse der Nuklearen Materie HERA Messungen: Energieverteilung der Quarks und Gluonen im Proton Gluonen 0.05 Wenn Quarks so leicht sind, was macht die Protonmasse aus? Valenzquarks Seequarks 0.05 Impulsanteil Masse = Energie! 46

47 Masse der Nuklearen Materie HERA Messungen: Energieverteilung der Quarks und Gluonen im Proton Gluonen Gluonen und See unskaliert Valenzquarks Seequarks Masse = Energie! Protonmasse ~ Gluonenergie 47

48 QuantenChromoDynamik: Grundlagen SU(3) Symmetrie und Quarkmodell Quark-Antiquark Zustände MESONEN 3-Quark Zustände BARYONEN Farbe: theoretische Notwendigkeit und experimentelle Evidenz Gluonfeld Lagrangian der QCD Feinmann-Regel in QCD Renormierung Asymtotische Freiheit und Confinement Fragmentation und Hadronisierung Faktorisierung 48

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