Die Physik der Elementarteilchen

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1 9 th International Masterclasses 2013 Hörsaal A97 09:15 Begrüssung und Vorstellung des Tagesablaufs 09:30 Eine kurze Einführung in die Welt der Teilchenphysik PD Dr. Hans Peter Beck 10:30 Pause 11:00 Teilchen sichtbar machen PD Dr. Michele Weber 12:00 Einfuehrung in die Analyse vom Nachmittag PD Dr. Hans Peter Beck Mensa 12:30 Mittagessen mit Studenten und Dozenten der Uni Bern Terminal Raum A94 14:00 Analyse von Teilchenkollisionen am PC Messung von W-Boson Zerfällen mit dem ATLAS Detektor 15:30 Pause Raum B52 16:00 Internationale Videokonferenz in English Universitäten: Bern (CH), Dresden (D), Uppsala(S), Wuppertal (D), Würzburg (D) Moderation: CERN - Felix Socher (ATLAS) & Eva Sicking (Linear Collider Physics & Detectors Group) HP Beck Uni Bern 17:15 Ende Die Physik der Elementarteilchen 1 Die Physik der Elementarteilchen PD Dr. Hans Peter Beck PD Dr. Michele Weber Hochenergiephysik Uni Bern Hochenergiephysik Uni Bern

2 CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) Europäisches Laboratorium für Teilchenphysik 1954 gegründet 20 Mitgliedsstaaten ~ 2500 CERN Staff ~ 8000 CERN User ~ 85 Nationen alle Kontinente ~580 Institute und Universitäten Die Hälfte aller Teilchenphysiker weltweit HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 3 CERN HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 4

3 CERN s Mission Grundlagenforschung: Suchen nach und Erforschen von offenen Fragen zum Universum Technologie: Die Grenzen des technologisch Machbaren vorantreiben Teamarbeit: Nationen durch Wissenschaft zusammenbringen Ausbildung: Junge Wissenschaftler für die Welt von morgen vorbereiten Wissenschaft im Dienst der Gesellschaft alle Resultate sind sofort öffentlich Stark eingeschränktes Patentrecht (deshalb ist WWW gratis,.) keine militärische Forschung kein Geheimlabor keine speziellen Gefahrenquellen am CERN (d.h. keine grosse Mengen von radioaktiven Materialien, keine Anti-Materiebombe, ) HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 5 HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 6

4 Der LHC Der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt... HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 7 Der LHC HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 8

5 Der Large Hadron Collider am CERN HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 9 Teilchen Physik Weshalb soll man Teilchen studieren? Wieso soll man Teilchen miteinander kollidieren lassen? Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält Goethe s Faust Dass der LHC mit seinen Detektoren erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 10

6 Woraus besteht die Welt & Woraus bestehen wir? was ist da drin? Demokrit ( v.chr.): Materie besteht aus unteilbaren, kleinen Bausteinen atomos (ατομος) = unteilbar Platon (ca v.chr): Elementare Symmetrien Aristoteles ( v.chr): Raum ist kontinuierlich mit Materie gefüllt HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 11 Woraus besteht die Welt & Woraus bestehen wir? was ist da drin? Demokrit ( v.chr.): Materie besteht aus unteilbaren, kleinen Bausteinen atomos (ατομος) = unteilbar Platon (ca v.chr): Elementare Symmetrien Aristoteles ( v.chr): Raum ist kontinuierlich mit Materie gefüllt HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 12

7 Streuexperimente? HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 13 Streuexperimente HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 14

8 Streuexperimente? HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 15 Streuexperimente HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 16

9 Streuexperimente? HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 17 Streuexperimente HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 18

10 Streuexperimente? HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 19 Streuexperimente HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 20

11 Lord Rutherford s Experiment Ernest Rutherford erforscht die Struktur der Materie mit einem Streuexperiment (1906) Lord Baron Ernest Rutherford * 30.August 1871 Brightwater, New Zealand 19. October 1937 Cambridge, England Goldatome in einer dünnen Goldfolie HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 21 Atome bestehen aus Teilchen m m Kern : Atom = 1 : das Atom ist im wesentlichen leer! Zum Vergleich: Wäre der Kern so gross wie eine Erbse = 5 mm, dann wäre der Atomdurchmesser = 50 m Und das Atom ist nicht unteilbar es besteht aus Elektronen und dem Kern und voraus bestehen die? HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 22

12 Streuexperimente Wer sehen will muss ein Streuexperiment durchführen zbsp. sichtbares Licht Lichtteilchen, d.h. Photonen streuen an einem Objekt Die gestreuten Photonen müssen mit einem Detektor gemessen werden - Auge = Detektor Die Messgrössen dieser Photonen müssen genau analysiert werden - Messgrössen sind: Impuls & Energie, Flugrichtung und die Intensität der Photonen - Damit können die Eigenschaften des Objekts berechnet werden Grösse, Distanz, Form, Farbe, Struktur der Oberfläche - Unser Gehirn vollbringt diese gewaltige Leistung, welche mittels eine Online-Rekonstruktion der Messdaten ein Bild in Echtzeit erzeugt. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 23 Auflösungsvermögen Wellenlänge der Photonen Größe der kleinsten gerade noch mit Licht erkennbaren Strukturen. Atome kann man auch mit dem stärksten Lichtmikroskop nicht sehen. Verwende Teilchen anstelle von Licht Teilchen haben eine Wellenlänge (Quantenmechanik) Teilchen-Wellenlänge Auflösungsvermögen Teilchen Wellenlänge: λ = h p = Planck sche Konstante Impuls Mit grossen Impulsen wird eine kleine Wellenlänge erreicht und damit können kleine Strukturen aufgelöst werden. λ=1 nm zbsp. Ein Elektron mit einer 1.5 Volt Batterie beschleunigen HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 24

13 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Wellenlänge ~ Durchmesser von Basketbällen HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 25 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Wellenlänge ~ Durchmesser von Tennisbällen HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 26

14 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Wellenlänge ~ Durchmesser von Murmeln...Nichts wie weg! HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 27 Hochenergiephysik ist Teilchenphysik HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 28

15 Was bedeuten kev, MeV, GeV und TeV? Energie [ev] Energie [Joule] Geschwindigkeit Elektron [511keV] Geschwindigkeit Proton [938 MeV] 1 ev 1.6 x J 593 km/s c 1 kev 1.6 x J km/s c 1 MeV 1.6 x J km/s 0.94 c 1 GeV 1.6 x J km/s c 1 TeV 1.6 x 10-7 J km/s c 14 km/s c 438 km/s c km/s c km/s 0.88 c km/s c c = Lichtgeschwindigkeit MeV, GeV, TeV sind äusserst kleine Energien in unserer Alltagswelt. Konzentriert auf ein Elektron oder ein Proton bedeutet dies, dass diese beinahe Lichtgeschwindigkeit erreichen. Die Lichtgeschwindigeit selbst kann niemals erreicht werden. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 29 Stärkere Beschleuniger neue Teilchen... Beschleunigungsenergie äquivalent zu einem fix-target experiment 1 EeV 100 PeV 10 PeV 1 PeV 100 TeV 10 TeV 1 TeV 100 GeV 10 GeV 1 GeV 100 MeV 10 MeV 1 MeV Livingston Plot Faktor 10 in Energie alle 7 Jahre ISR Tevatron SppS HERA LHC LEP E FT 2 = E Lab cm 2m p HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 30

16 14 TeV wie zwei kollidierende Stechmücken 14 TeV Der Unterschied der kollidierenden Stechmücken zu den kollidierenden Protonen im LHC ist der, dass die gesamte Energie auf den Platzbedarf zweier Protonen konzentriert wird. Der LHC ist ein Energieverdichter! Eine relativ kleine Energiemenge wird auf kleinstem Raum konzentriert Neue Teilchen können dabei entstehen zbsp das Higgs-Teilchen Nichts das schwerer ist als 14 TeV kann dabei entstehen. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 31 Hochenergiephysik ist Teilchenphysik Teilchenphysiker nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn mit steigender Energie E Impuls p der Projektile kann man: kleinste Strukturen erkennen h (Plank sche Konstante) Teilchen-Wellenlänge λ = p (Impuls) (de Broglie 1924) Elektron Proton Elektron HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 32

17 Hochenergiephysik ist Teilchenphysik Teilchenphysiker nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn mit steigender Energie E Impuls p der Projektile kann man: neue Teilchen erzeugen E = mc 2 Energie = Masse Lichtgeschwindigkeit im Quadrat (Einstein 1905) HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 33 Es gibt mehr Ding' im Himmel und auf Erden, Als Eure Schulweisheit sich träumt, Horatio. William Shakespeare (Hamlet) * 23. April 1564 (vermtl.) Stratford-upon-Avon 3. Mai 1616 Stratford-upon-Avon Hamlets Zitat hat sich insofern bewahrheitet, als man in den letzten 80 Jahren viele neue Elementarteilchen, d.h. Urbausteine des Universums, in Beschleunigern erzeugt und gefunden hat. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 34

18 Materie, Raum und Kräfte Was wir heute, nach über 100 Jahren des Experimentierens wissen Nur möglich, weil wir immer grössere Beschleuniger bauten, und bauen CERN, Fermilab, SLAC, DUBNA, KEK, DESY,... HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 35 Mit Teilchenbeschleunigern kann man die Struktur der Materie erforschen > < 0,01 m Kristall 1/ /10 1/ /10 1/ m Molekül m Atom m Kern m Proton <10-19 m Quark, Elektron Stecknadelkopf: 10-3 m = 0,001 m Elektron, Quark: <10-19 m = 0, m Punktförmig? HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 36

19 Mit Teilchenbeschleunigern kann man die Struktur der Materie erforschen Zum Vergleich m Atom 1/ /10 1/ m Kern m Proton <10-19 m Quark, Elektron Sei ein Atomradius 1000 km. Distanz von Bern nach Kopenhagen, oder 3 zur ISS in 350 km Höhe Kernradius: 10 6 m 10 4 = 10 2 m ca. doppelt so hoch wie das Bundeshaus (60m Kuppelhöhe) Protonradius: 10 2 m 10 = 10 m so gross wie ein Klassenzimmer Quarks und Elektronen sind kleiner als: 10 m 10 4 = 1 mm so gross wie ein Stecknadelknopf So eine Auflösung hat nur der LHC HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 37 Materie, Raum und Kräfte Materie ist aus Bausteinen aufgebaut Elementarteilchen Die Vielfalt von Allem, von einfachen bis zu komplexen Systemen in der Natur wird durch das Zusammenspiel dieser Elementarteilchen begründet. Elementarteilchen sind winzig klein, so klein, dass wir keine räumliche Ausdehnung vermuten Der Raum ist wahrscheinlich komplett leer Wieso erscheint dann Materie zbsp. ein Tisch als massives Objekt? Teilchen interagieren miteinander Fundamentale Kräfte! Was sind das für Kräfte, die die Welt im Innersten zusammenhalten? HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 38

20 Die fundamentalen Kräfte in der Natur p n n n p n p n p p n n n p p p p p n HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 39 Kräfte e Photon p e Elektron p Proton Kräfte zwischen Teilchen werden durch Teilchen übermittelt HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 40

21 Teilchen als Kraftvermittler Photon Gluon Vektor-Boson Graviton Abstossend Anziehend Photonen, Gluonen und Vektor-Bosonen sind bestens bekannt Das Graviton konnte noch nicht experimentell nachgewiesen werden HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 41 Ein Universum voller Teilchen Jede Kuh, jeder Baum, die Steine, die Menschen, die Planeten, die Sonne, die Sterne, und alles Andere bestehen aus > % leerem Raum Elementarteilchen (<10-19 m Punktförmig?) Elektronen Up-Quarks Down-Quarks Diese werden zusammengehalten durch Photonen Gluonen Vektor-Bosonen Gravitonen Weiter wird angenommen, dass der leere Raum mit einem Higgsfeld gefüllt ist, welches den Elementarteilchen Masse gibt. Der LHC soll das dazugehörige Higgsteilchen experimentell bestätigen, oder die Idee von einem Higgsfeld verwerfen. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 42

22 Das Standard Modell Teilchen und Kräfte bringt Ordnung in den Teilchenzoo eine fast vollständige Erklärung des Mikrokosmos beschreibt die fundamentalen Wechselwirkungen: die starke, schwache und elektromagnetische Kraft und die fundamentalen Teilchen, welche die Materie bilden wurde als Quantenfeldtheorie entwickelt ist konsistent mit der Quantenmechanik und der speziellen Relativitätstheorie hält allen experimentellen Tests bei immer grösser Präzision der Experimente stand ist trotzdem nicht komplett vornehmlich, weil es die Gravitation nicht berücksichtigt. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 43 Das Standardmodell der Teilchenphysik I Rabi Kommentar zum Muon (1936) Who ordered that? Materieteilchen kommen in 3 Generation vor, wobei jede Generation schwerer ist als die vorherige. Nur Teilchen der ersten Generation sind stabil und bilden so die uns bekannte Materie. Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen zbsp. Antielektron, HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 44

23 Das Standard Modell Ein Meilenstein auf dem Weg zu einem fundamentalen Verständnis des Universums Etwas komplizierter als zbsp E=mc 2. Liefert eine exakte, und überprüfbare Beschreibung aller Messdaten je gemachter Experimente (ausser... Gravitation). Diese Formel basiert auf Symmetrien, der Quantenmechanik, der Relativitätstheorie und den Elementarteilchen. Riesiger Erfolg im Verständnis der Natur! Erste Zeile: die fundamentalen Kräfte (elektro-magnetisch, stark, schwach) Zweite Zeile: wie die Kräfte auf Teilchen (Quarks und Leptonen) wirken. Dritte Zeile: wie diese Teilchen durch das Higgs-Teilchen Masse erhalten. Vierte Zeile: das Higgs-Vakuum Elektro-magnetische, starke und schwache Kraft OK. Gravitation (mikroskopisch) noch unklar. Diese Formel beinhaltet ein neues Teilchen! Das Higgs Teilchen gibt es dies wirklich? HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 45 Das Standard Modell Ein Meilenstein auf dem Weg zu einem fundamentalen Verständnis des Universums Alle Terme ausgeschrieben... Erste Zeile: die fundamentalen Kräfte (elektro-magnetisch, stark, schwach) Zweite Zeile: wie die Kräfte auf Teilchen (Quarks und Leptonen) wirken. Dritte Zeile: wie diese Teilchen durch das Higgs-Teilchen Masse erhalten. Vierte Zeile: das Higgs-Vakuum HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 46

24 Das Universum Wir kennen die Elementarteilchen, ihre Eigenschaften und Wechselwirkungen, das Standardmodell der Teilchenphysik damit kennen wir das Rezept um das Universum aufzubauen Es besteht aus Elementarteilchen Es fand seinen Anfang im Big Bang vor 13.7 Milliarden Jahren Wir können ein Bild der Evolution aufzeichnen angefangen mit dem Big Bang Durch Experimente kann dieses Bild überprüft werden LHC 14 TeV s ca. Apfelgross HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 47 Der ATLAS Detektor am LHC HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 48

25 Der ATLAS Detektor HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 49 Der ATLAS Detektor ATLAS erscheint klein im LHC ATLAS ist so gross wie ein 5-stöckiges Gebäude Länge: ~ 44 m Höhe: ~ 25 m Gewicht: ~ 7000 Tonnen (zum Vergleich: Eiffelturm in Paris: Tonnen) ~ 10 8 elektronische Auslesekanäle ~ 3000 km Kabel HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 50

26 Teilchen in ATLAS messen... HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 51 ATLAS Installation ( ) ATLAS Kaverne (-100 m) Juni 2003 Schliessen des Strahlrohrs 16. Juni 2008 HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 52

27 ATLAS Nicht nur kleine Teilchen HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 53 HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 54

28 ATLAS Collaboration 37 Countries 174 Institutions ~3200 Scientific Authors total Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, HU Berlin, Bern, Birmingham, UAN Bogota, Bologna, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Buenos Aires, Bucharest, Cambridge, Carleton, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Chile, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, AGH UST Cracow, IFJ PAN Cracow, DESY, Dortmund, TU Dresden, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Giessen, Glasgow, Göttingen, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, UN La Plata, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, McGill Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Nagoya, Naples, New Mexico, New York, Nijmegen, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, Oklahoma SU, Oregon, LAL Orsay, Osaka, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Regina, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, SLAC, Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine/ICTP, Uppsala, Urbana UI, Valencia, UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, FH Wiener Neustadt, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 55 CERN Besuch am 8. Juni SBB Billet wird von der Schweizerischen Physikalischen Gesellschaft übernommen Übernachtung vom Freitag auf Samstag 7. /8. Juni wird vom CERN übernommen HP Beck - AEC Bern Das verflixte Higgs 9. März

29 W-Bosonen messen Aufgabe für Heute Nachmittag mit echten LHC Daten HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 57 Was sind W-Bosonen? verantwortlich für radioaktive Zerfälle β-zerfall Ein Neutron kann in ein Proton, ein Elektron, sowie ein Neutrino zerfallen. Die Kraft wird dabei durch ein W-Boson vermittelt, welche an die Quarks im Neutron koppeln. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 58

30 Aufgabe HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 59 Proton Struktur? Proton Proton Das Proton hat eine innere Struktur und besteht aus Quarks und Gluonen Bei der Kollision zweier Protonen, kollidieren eigentlich zwei Quarks; zwei Gluonen; ein Quark mit einem Gluon miteinander Dabei können auch W-Bosonen entstehen HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 60

31 Proton Struktur? Ein Gluon vom Proton 1 kollidiert mit einem u-quark von Proton 2, wobei ein d-quark und ein W + Boson entsteht. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 61 W-Boson Produktion Durch Gluon-Quark sowie auch durch Gluon-Gluon In einem Proton (uud) gibt es doppelt so viele u-quarks wie d-quarks. Wir erwaren deshalb auch doppelt so viele W + wie W - im Gluon-Quark Prozess. Im Gluon-Gluon Prozess entstehen gleich viele W + wir W -. Das Verhältnis von W + zu W - gibt so einen Einblick in die Struktur des Protons. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 62

32 Zerfälle von W-Bosonen HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 63 Signal: W eν e ± p p ν HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 64

33 Signal: W μν μ ± p p ν HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 65 Untergrund: Di-Jet p p HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 66

34 Untergrund: Z μμ μ + p p μ - HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 67 Ereignis Klassifikation HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 68

35 Ereignis Klassifikation HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 69 Proton Struktur mit W-Bosonen bestimmen Aufgabe 1 Entdecke die Zusammensetzung des Protons! In Deinem Datenpaket suchst Du Dir aus den 50 Ereignissen alle Signalereignisse heraus, also Ereignisse, in denen ein W-Teilchen erzeugt wurde. Für diese ermittelst Du die elektrische Ladung des W-Teilchens. Anschließend bestimmst Du das Verhältnis der Anzahl elektrisch positiv geladener W-Teilchen zur Anzahl elektrisch negativ geladener W-Teilchen. Dieses bezeichnen wir mit R±. Um ein Ereignis als Signalereignis zu identifizieren, sollten folgende Auswahlregeln beachtet werden. Es handelt sich um ein Signalereignis, wenn sich im Ereignis GENAU EIN LEPTON (entweder ein Elektron oder ein Positron oder ein Myon oder ein Antimyon) befindet, das isoliert auftritt, d.h. NICHT IN einem JET auftritt und zudem einen transversalen Impuls (PT) von mindestens 20 GeV besitzt. Außerdem muss im Ereignis ein fehlender transversaler Impuls (MET) von mindestens 25 GeV vorliegen und Nur wenn alle diese Auswahlregeln für ein Ereignis zutreffen handelt es sich um ein Ereignis, in dem ein W-Teilchen erzeugt wurde. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 70

36 Higgs-Suche mit HWW Aufgabe 2 Finde Ereignisse mit zwei W-Bosonen Auch zur Identifikation eines möglichen WW-Kandidaten müssen Auswahlregeln beachtet werden. Ein WW-Ereignis sollte: genau zwei elektrisch unterschiedlich geladene Leptonen enthalten, welche zum einen isoliert, d.h. nicht in Jets, auftreten und zum anderen einen transversalen Impuls von mindestens 25 GeV (für das Lepton mit dem größten Impuls) bzw. 15 GeV (für das andere Lepton) besitzen. Außerdem muss im Ereignis ein fehlender transversaler Impuls von mindestens 50 GeV vorkommen, wenn beide Leptonen aus der gleichen Familie kommen bzw. 25 GeV vorkommen, wen die beiden Leptonen aus unterschiedlichen Teilchenfamilien kommen. Erst wenn alle diese Auswahlregeln für ein Ereignis zutreffen, handelt es sich um einen Kandidaten für ein WW-Ereignis. Messe bei diesen Ereignissen den Winkel zwischen den beiden elektrisch geladenen Leptonen in der transversalen Ebene, ΔΦ ll, und notiere ihn auf der Strichliste. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 71 Higgs-Mechanismus: Was ist Masse? In einem leeren Vakuum sind alle Teilchen masselos sie bewegen sich daher mit Lichtgeschwindigkeit Im Vakuum gibt es ein Higgs-Feld Teilchen werden durch das Higgs-Feld abgebremst sie erhalten so scheinbar eine Masse eine effektive Masse der Massenwert ergibt sich aus der Stärke mit der ein Teilchen mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung tritt. Das Higgsteilchen ist eine quantenmechanische Anregung des Higgsfelds ist eine experimentell überprüfbare Konsequenz des Higgs-Feldes. HP Beck Uni Bern 72 Die Physik der Elementarteilchen 72

37 Eine Analogie zum Higgs Luft füllt den Raum und wird normalerweise nicht (oder nur wenig) gespürt. Sie soll als Analogie zum Higgs-Feld herhalten. Luft spürt man wenn man sich durch die Luft hindurch bewegt. Wenn man sich mit hoher Geschwindigkeit (d.h. mit grosser Energie) durch die Luft hindurch bewegt, wird die Luft angeregt. Dabei entstehen Wirbel und diese entsprechen dem Higgsteilchen. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 73 Higgsproduktion am LHC Higgsteilchen können in Proton-Proton Kollisionen erzeugt werden. Das Higgsteilchen ist nicht stabil. Es zerfällt sofort. z. Bsp. in zwei W-Bosonen Zwei W-Bosonen können aber auch ganz ohne Higgsteilchen entstehen! Wie unterscheidet man dies? HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 74

38 Higgsproduktion am LHC μ +, e + ν μ -, e - Bei einem Higgszerfall H W + W + l + νl - ν ist der Winkel zwischen den beiden Leptonen klein: Δφ 0 <90 ν ν μ +, e + μ -, e - Bei einem Ereignis mit zwei W s treten beliebige Winkel auf: Δφ [0,360 ) HP Beck Uni Bern ν Die Physik der Elementarteilchen 75 Ein Ereignis mit zwei W s HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 76

39 Higgs Suche Aufgabe 2 Der LHC wurde unter anderem gebaut, weil die Forscher mit ihm über das lang gesuchte Higgs-Teilchen das Higgs-Feld im Universum nachweisen wollen. Theoretische Überlegungen sagen voraus, dass im LHC erzeugte hochenergetische massereiche Teilchen (z.b. Top Quarks) solche Higgs-Teilchen im Higgsfeld erzeugen können. Allerdings wurden bislang noch keine Higgs- Teilchen beobachtet. Damit Du einen Eindruck davon erhältst, wie sich das Higgs-Teilchen zeigen könnte, wurden unter die originalen Messdaten von ATLAS simulierte WW-Ereignisse gemischt. Finde diese Ereignisse an Hand der Signale heraus, die sie im Detektor hinterlassen und zähle deren absolute Häufigkeit (eintragen in Strichliste). Messe bei diesen Ereignissen den Winkel zwischen den beiden elektrisch geladenen Leptonen in der transversalen Ebene, Δφ, und notiere ihn auf der Strichliste. Auch zur Identifikation eines möglichen WW-Kandidaten müssen Auswahlregeln beachtet werden. Ein WW-Ereignis sollte: * genau zwei elektrisch unterschiedlich geladene Leptonen enthalten, welche * zum einen isoliert, d.h. nicht in Jets, auftreten und * zum anderen einen transversalen Impuls von mindestens 25 GeV für das Lepton mit dem größten Impuls; bzw. 15 GeV für das andere Lepton besitzen. Außerdem * muss im Ereignis ein fehlender transversaler Impuls von mindestens 40 GeV vorkommen, wenn beide Leptonen aus der gleichen Familie kommen bzw. 25 GeV vorkommen, wen die beiden Leptonen aus unterschiedlichen Teilchenfamilien kommen. Erst wenn alle diese Auswahlregeln für ein Ereignis zutreffen, handelt es sich um einen Kandidaten für ein WW-Ereignis. HP Beck Uni Bern Die Physik der Elementarteilchen 77