Higgs, B-Physik und Co. die ersten 4 Jahre Physik am LHC

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1 Higgs, B-Physik und Co. die ersten 4 Jahre Physik am LHC Michael Schmelling MPI für Kernphysik Einführung in die Teilchenphysik Der LHC und das Higgs Teilchen Physik mit schweren Mesonen Zusammenfassung und Ausblick Higgs, B-Physik und Co. M. Schmelling, 29. November

2 1. EINFÜHRUNG IN DIE TEILCHENPHYSIK Grundfragen Was sind die die fundamentalen Bausteine der Welt? Welche Kräfte wirken zwischen Ihnen? Erforschen was die Welt im Innersten zusammen hält Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome im leeren Raum. Demokrit, ca. 400 v.chr. das Standardmodell der Teilchenphysik Higgs, B-Physik und Co. - Einführung in die Teilchenphysik M. Schmelling, 29. November

3 Der Aufbau der Materie Hierarchie von Strukturen Atome sind sehr klein: : : Anzahl Atome pro Sandkorn Anzahl Sterne im Universum Atomdurchmesser: Haaresbreite = 500,000 Atomdurchmesser Atomkern: mal kleiner als ein Atom Quarks & Elektronen: mind mal kleiner als ein Atomkern Higgs, B-Physik und Co. - Einführung in die Teilchenphysik M. Schmelling, 29. November

4 Geometrische Veranschaulichung Higgs, B-Physik und Co. - Einführung in die Teilchenphysik M. Schmelling, 29. November

5 Kräfte zwischen Elementarteilchen Kraftfelder wirken durch Austauschteilchen jede Kraft hat spezifische Austauschteilchen Austauschteilchen übertragen Impuls Drehimpuls je nach Art des Teilchens auch Ladung Higgs, B-Physik und Co. - Einführung in die Teilchenphysik M. Schmelling, 29. November

6 Kräfte und Austauschteilchen Gravitationskraft zwischen allem was Energie hat Austauschteilchen: Graviton zwischen Elementarteilchen vernachlässigbar elektromagnetische Kraft zwischen elektrischen Ladungen Austauschteilchen: Photon z.b. elektrostatische Abstoßung gleicher Ladungen starke Kraft zwischen Quarks Austauschteilchen: Gluon AtomKern-Bindung gegen elektrostatische Abstoßung schwache Kraft zwischen allen Teilchen Austauschteilchen: W und Z Teilchen kurzreichweitige Kraft kann Teilchen ineinander umwandeln, z.b. Beta-Zerfall Higgs, B-Physik und Co. - Einführung in die Teilchenphysik M. Schmelling, 29. November

7 Quarks und Leptonen zwei Klassen fundamentaler Elementarteilchen Quarks: spüren die starke Kraft 3 Quarks mit elektrischer Ladung +2=3: 3 Quarks mit elektrischer Ladung 1=3: Quarks sind die Bausteine der Hadronen Leptonen: spüren die starke Kraft NICHT 3 elektrisch neutrale Leptonen (Neutrinos): 3 Leptonen mit elektrischer Ladung 1: es folgt: Elektronen werden nur durch die elektromagnetische Kraft an den Atomkern gebunden Alle bekannten Elementarteilchen sind entweder Leptonen (fundamental) oder aus Quarks zusammengesetzt. Higgs, B-Physik und Co. - Einführung in die Teilchenphysik M. Schmelling, 29. November

8 Antimaterie zu jedem Quark/Lepton gibt es ein Antiteilchen mit : : : gleicher Masse gleichem Eigendrehimpuls entgegengesetzter Ladung 1931: Dirac Vorhersage aus relativistischer Quantenmechanik 1932: Anderson erster Nachweis des Positrons, e + Higgs, B-Physik und Co. - Einführung in die Teilchenphysik M. Schmelling, 29. November

9 Über 1000 subatomare Teilchen : : : fundamentale Leptonen oder Antileptonen zusammengesetzte Teilchen aus 3 Quarks (Baryonen) zusammengesetzte Teilchen aus 3 Antiquarks (Antibaryonen) zusammengesetzte Teilchen aus 1 Quark & 1 Antiquark (Mesonen) unsere Welt: Higgs, B-Physik und Co. - Einführung in die Teilchenphysik M. Schmelling, 29. November

10 Masse und das Higgs-Teilchen Brout-Englert-Guralnik-Hagen-Higgs-Kibble: der Raum ist erfüllt von einem Feld die Elementarteilchen spüren das Feld die Stärke der Wechselwirkung wird als Masse wahrgenommen Analogie: Der Raum ist mit einem Medium, Luft, gefüllt Teilchen sind Objekte die den Luftwiderstand spüren der c w -Wert der Teilchen entspricht ihrer Masse Peter Higgs: wenn das Feld existiert, dann kann es angeregt werden diese Anregung ist ein neues Teilen: das Higgs-Teilchen H Analogie? Schallwellen Higgs, B-Physik und Co. - Einführung in die Teilchenphysik M. Schmelling, 29. November

11 Wer es ganz genau wissen will: : : Higgs, B-Physik und Co. - Einführung in die Teilchenphysik M. Schmelling, 29. November

12 Das Periodensystem der Teilchenphysik vor LHC: Bis auf das Higgs-Teilchen sind alle Teilchen des Standardmodell bekannt. LHC: Kläre die Frage, ob der Higgs- Mechanismus zur Erzeugung der Massen der Elementarteilchen in der Natur realisiert ist. Higgs, B-Physik und Co. - Einführung in die Teilchenphysik M. Schmelling, 29. November

13 2. DER LHC UND DAS HIGGS TEILCHEN LHC SPS CERN Meyrin - PS Higgs, B-Physik und Co. - Der LHC und das Higgs Teilchen M. Schmelling, 29. November

14 Schematische Darstellung Saskatchewan Highway 14 ca. 27 km Umfang, 100 m unter der Erde 4 große Experimente 2 gegenläufige Strahlen, je ca Protonen-Pakete bis zu 40 Millionen Kollisionen von Protonen-Paketen pro Sekunde Higgs, B-Physik und Co. - Der LHC und das Higgs Teilchen M. Schmelling, 29. November

15 Blick in den Tunnel 1232 supraleitende Dipole mal stärker als Erdmagnetfeld Strahlrohre kälter als der Weltraum geringerer Druck als auf dem Mond 1 ng Protonen pro Ring 100 kwh Energie Die Maximalenergie pro Teilchen entspricht einer Beschleunigungsspannung von 7000 Milliarden Volt! Higgs, B-Physik und Co. - Der LHC und das Higgs Teilchen M. Schmelling, 29. November

16 Proton-Proton Kollisionen im LHC Ü E = m c2 in Aktion + Bewegungsenergie Ü neue Teilchen + alle Teilchen können erzeugt und untersucht werden (vorausgesetzt sie sind nicht zu schwer : : :) Higgs, B-Physik und Co. - Der LHC und das Higgs Teilchen M. Schmelling, 29. November

17 Der ATLAS Detektor am LHC Higgs, B-Physik und Co. - Der LHC und das Higgs Teilchen M. Schmelling, 29. November

18 Der LHCb Detektor möglichst vollständige Rekonstruktion von Proton-Proton-Kollisionen Impuls, Energie und Masse der erzeugten Teilchen Higgs, B-Physik und Co. - Der LHC und das Higgs Teilchen M. Schmelling, 29. November

19 Der LHCb Detektor v 20 m lang, 10 m hoch v Messgenauigkeit 20 m v 1.1 Millionen Sensor-Kanäle v 40 Millionen Messungen/s v Daten: 1 Milliarde Telefonate Nachweis geladener Teilchen durch Ionisationsspuren Impuls- und Ladungsmessung durch Ablenkung im Magnetfeld Higgs, B-Physik und Co. - Der LHC und das Higgs Teilchen M. Schmelling, 29. November

20 Methoden der Teilchenphysik wie studiert man Elementarteilchen? Erinnerung an Atomphysik: Untersuchung von Spektrallinien angeregtes Atom! Atom + jede Spektrallinie ist charakteristisch für ein (angeregtes) Atom Anregung z.b. durch Hitze oder elektromagnetische Felder Information über Struktur von Atomen und Molekülen Teilchenphysik: gleiches Grundprinzip, aber : : : wesentlich höhere Energien direkte Erzeugung der angeregten Zustände z.b. im LHC wesentlich mehr Zerfallsmoden z.b. angeregtes Hadron oder: Teilchen oder: Teilchen! Hadron +! +! + + Higgs, B-Physik und Co. - Der LHC und das Higgs Teilchen M. Schmelling, 29. November

21 Beispiel Vergleich: Atomphysik versus Teilchenphysik Cadmium Spektrum X! + Events / GeV ρ,ω φ η J/ψ ψ' Υ Z CMS s = 7 TeV -1 L = 40 pb int jede Linie entspricht einem angeregten Cd-Zustand Dimuon mass (GeV/c ) jede Linie entspricht einem bekannten Elementarteilchen Unterschied in Energieskalen: 10 Milliarden Higgs, B-Physik und Co. - Der LHC und das Higgs Teilchen M. Schmelling, 29. November

22 Der Nachweis des Higgs-Teilchens die Suche nach der Nadel im Heuhaufen die genaue Masse bei der man suchen muss ist nicht bekannt das Higgs-Teilchen ist mindestens 120 mal schwerer als ein Proton brauche eine Beschleuniger mit hoher Energie die Produktionswahrscheinlichkeit ist sehr klein brauche hohe Strahlintensität nur wenige Zerfallsmoden sind gut vom Untergrund separierbar brauche einen sehr guten Detektor Entdeckung in: H! Resultate Higgs, B-Physik und Co. - Der LHC und das Higgs Teilchen M. Schmelling, 29. November

23 Higgs-Nachweis von ATLAS und CMS Higgs-Teilchen zweifelsfrei nachgewiesen der Werte der Masse hat interessante Implikationen: das Standardmodell gilt eventuell bis zu sehr hohen Energien das Universum ist vielleicht nur meta-stabil : : : Higgs, B-Physik und Co. - Der LHC und das Higgs Teilchen M. Schmelling, 29. November

24 3. PHYSIK MIT SCHWEREN MESONEN Zwischenbilanz der Higgs-Mechanismus : : : erklärt wie die Teilchen Masse bekommen lässt offen welche Massen die Teilchen haben Gravitation wird vom Standardmodell nicht erfasst das Standardmodell erklärt nicht warum es : : : drei Generationen gibt gleich viele Generationen von Quarks und Leptonen gibt neben der Gravitation drei weitere Kräfte gibt weitere Fragen Higgs, B-Physik und Co. - Physik mit schweren Mesonen M. Schmelling, 29. November

25 Woraus besteht die Dunkle Materie Ü kosmische Hintergrundstrahlung & Strukturformation: Energieinhalt des Universums: Ü 4.9% normale Materie (kennen wir) Ü 26.8% dunkle Materie (schwere Teilchen?) Ü 68.3% dunkle Energie (???) Higgs, B-Physik und Co. - Physik mit schweren Mesonen M. Schmelling, 29. November

26 Wo ist die Antimaterie? das Problem (kleine Mengen) Antimaterie werden am Beschleuniger beobachtet immer gleiche Mengen von Materie und Antimaterie erzeugt die gleichen Prozesse gab es im frühen Universum, aber keine Hinweise auf nennenswerte Mengen Antimaterie im Universum keine Hinweise auf Vernichtungsstrahlung keine Hinweise auf Anti-Kerne in der kosmischen Strahlung Higgs, B-Physik und Co. - Physik mit schweren Mesonen M. Schmelling, 29. November

27 Untersuchung dieser Fragen direkte Suche nach neuen Teilchen Strategie von ATLAS und CMS Ansatz: nutze die hohe Energie des Beschleunigers Schwierigkeit: sehr viele Möglichkeiten Vorteil: direkte Messung der Eigenschaften indirekte Suche nach neuen Teilchen Strategie von LHCb Ansatz: Überprüfung präziser Vorhersagen Vorteil: klare Fragestellung Schwierigkeit: Interpretation der Messung Abweichungen können verschiedene Ursachen haben: : : viele Resultate liefern wieder ein konsistentes Bild Higgs, B-Physik und Co. - Physik mit schweren Mesonen M. Schmelling, 29. November

28 B-Mesonen schweres b-quark mit leichtem u-, d-, oder s-quark B Meson anti b quark Anti B Meson b quark relativ einfache Wasserstoffartige Systeme nutze die hohe Produktionsrate des LHC für B-Mesonen Higgs, B-Physik und Co. - Physik mit schweren Mesonen M. Schmelling, 29. November

29 Teilchen-Antiteilchen Oszillationen Veranschaulichung durch Feynman-Diagramm t s b B 0 s W W + B 0 s b t Umwandlung eines Teilchens in sein Antiteilchen und zurück! Oszillation der Teilchenmasse zwischen Materie und Antimaterie sensitiv auf Unterschiede von Materie und Antimaterie sensitiv auf neue, bislang unbekannte schwere Teilchen, z.b. Standardmodell: W -Teilchen neue Theorie: zusätzlich H -Teilchen Higgs, B-Physik und Co. - Physik mit schweren Mesonen M. Schmelling, 29. November s

30 Resultat erstmalige direkte Beobachtung der Oszillation Oszillationsfrequenz ca GHz konsistent mit dem im Standardmodell erwarteten Wert Higgs, B-Physik und Co. - Physik mit schweren Mesonen M. Schmelling, 29. November

31 Seltene Zerfälle Beispiel: der Zerfall B s! + s W µ B 0 s t ν b W + µ + im Standardmodell sehr seltener Zerfall von 1 Milliarde B-Mesonen zerfallen nur 3 in Muon-Paare neue Teilchen könnten wie Katalysatoren für den Zerfall wirken: : : Higgs, B-Physik und Co. - Physik mit schweren Mesonen M. Schmelling, 29. November

32 Resultat erstmalige Beobachtung des Zerfalls! Zerfallsrate konsistent mit dem Standardmodell-Wert Higgs, B-Physik und Co. - Physik mit schweren Mesonen M. Schmelling, 29. November

33 4. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Stand der Teilchenphysik nach LHC-Run 1 es gibt das Higgs-Teilchen Eigenschaften wie im Standardmodell erwartet das WIE der Ursprungs der Masse ist verstanden das WIEVIEL ist nach wie vor offen alle Messungen sind verträglich mit dem Standardmodell! keine Kandidaten für dunkle Materie keine Abweichungen in Teilchen-Antiteilchen Oszillationen keine Abweichungen bei seltenen Zerfällen gespannt auf LHC Run 2: : : entweder Indizien wie es weiter geht, oder Notwendigkeit neuer Ideen: : : Higgs, B-Physik und Co. - Zusammenfassung und Ausblick M. Schmelling, 29. November

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Higgs, B-Physik und Co. - Zusammenfassung und Ausblick M. Schmelling, 29. November