Arnulf Quadt. 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 1
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- Jonas Böhmer
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1 Dem Higgs Boson auf der Spur Aktuelle Ergebnisse des Large Hadron Colliders Arnulf Quadt 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 1
2 Powers of Ten Ziel: Grundlegende Strukturen und Gesetze der Natur verstehen 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 2
3 Ziele der Elementarteilchen Physik fundamentale Strukturen & Naturgesetze von den größ ößten Dimensionen im Universum zu den kleinsten Dimensionen im Mikrokosmos... erforschen was die Welt im Innersten zusammenhält... Reduktions Prinzip : fundamentale Bausteine Fundamentale Wechselwirkungen 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 3
4 Streuexperimente Struktur weiche Streuung harte Streuung 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 4
5 Rutherford Experiment E.Rutherford (1912)... von Streuwinkelverteilung Schluss auf Struktur des Atoms... braucht Teilchenquelle (Strahl) und Nachweisdetektor Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 5
6 (Sub)Struktur Atome 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 6
7 Elementare Bausteine `Baukasten' aus Spin 1/2 Teilchen (Quarks & Leptonen) + Antiteilchen Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 7
8 Elementare Bausteine 1995 Offene Fragen: Eigenschaften und Rolle der Fermionen Wirklich nur drei Generationen? Verbindung von Leptonen zu Quarks? Masse und Rolle der Neutrinos Ursprung der Mass und Hierarchie Quark Mischung und CP Verletzung Physik Nobel Preis Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 8
9 Symmetrien in der Natur Natur ist voller Symmetrien Vereinfachung der Beschreibung Symmetrie Erhaltungsgr Erhaltungsgrößen physikalische Gesetze unabhängig ngig von Nullpunkt der Nullpunkt der Richtung der Zeitachse Raumachsen achsen Raumachsen achsen Erhaltung der Energie Erhaltung des Impulses Erhaltung des Dralls Emmi Noether ( ) Symmetriebrechung neue physikalische Phänomene 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 9
10 Beispiel Eichsymmetrien lokale (Zeit ) Eichsymmetrie: Zeitzonen... Physikalische Gesetze (und Alltag) hängen nicht von der Wahl des Zeitnullpunktes ab Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 10
11 Fundamentale Wechselwirkungen Quantenfeldtheorie, lokale Eichsymmetrie Wechselwirkung zwischen Spin 1/2 Fermionen durch Austausch von Spin 1 Vektorbosonen (γ(,w,z,g) elektromagnet. Kraft starke Kraft schwache Kraft Gravitation 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 11
12 Sonnenblumen... sehen rotations und spiegel symmetrisch aus... Schauen wir uns die Kerne mal genauer an 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 12
13 34 Spiralen im, 21 Spiralen gegen Uhrzeigersinn! 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 13
14 Beispiele für f r Symmetriebrechung 13 Spiralen in, 8 gegen Uhr- zeigersinn! 21 Spiralen in, 13 gegen Uhr- zeigersinn! 34 Spiralen in, 21 gegen Uhr- zeigersinn! 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 14
15 Teilchen Massen Higgs Mechanismus Zunächst im Standard Model masselose Teilchen Aber wir messen ihre Masse!? Eine mögliche m Erklärung: rung: Der Higgs Mechanismus (Elektroschwache Symmetriebrechung) Higgs Feld füllt f Raum aus... ein Teilchen im Higgs Feld koppelt an Feld... Trägheit = Masse 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 15
16 Teilchen Massen Higgs Mechanismus Anregung des Hintergrundfeldes angeregtes Higgs Hintergrundfeld massives Higgs Bosons 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 16
17 Geschichte des Universums 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 17
18 Urknall im Labor Materie Antimaterie Kollisionen bei hoher Energie (=Temperatur) Alle Teilchen haben hohe Energie (Temperatur) und kollidieren unkontrolliert Individuelle Kollisionen kontrollieren, auswählen und aufzeichnen 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 18
19 Physik Nobel Preis Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 19
20 Teilchenbeschleuniger 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 20
21 Teilchenbeschleuniger I 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 21
22 Teilchenbeschleuniger II Studium von kleinsten Strukturen oder schweren Teilchen benötigt Teilchenbeschleunigung auf höchste Energien Heisenbergs Unschärfe Relation Δx Δp ħ E = m c 2 Einstein Linearer Beschleuniger : wiederholte Beschleunigung : 1, 2, ev = 10 3 ev = ev = 10 6 ev = ev = 10 9 ev = ev = 10 ev = 1 kev 1 MeV 1 GeV 1 TeV `Tevatron' = TeV Strahlenergie 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 22
23 Teilchenbeschleuniger III DESY HERA ep 320 GeV H1, ZEUS Fermilab Tevatron PbarP TeV CDF, DØ CERN SPPS PbarP 0.6 TeV UA1, UA2 CERN LHC PP 14 TeV ATLAS,CMS, ALICE,LHC B 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 23
24 Das TEVATRON am Fermilab CDF Chicago DØ 60 km Booster Tevatron p _ p _ p source Main Injector & Recycler p _ p s = TeV, t = 396 ns Run I 1987 (92) 95 L int ~ 125 pb 1 Run II ~ 10 fb Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 24
25 Teilchenbeschleuniger IV LEP SPPS PS 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 25
26 Der Large Hadron Collider LHC CMS ATLAS CERN: europ.zentrum f.teilchenphysik 1954 gegründet LHC: Proton Proton Beschleuniger Hohe Energie: s = 7 (14) TeV 40 Mio. Kollisionen pro Sekunde Erster Strahl: 10.Sept Erste Kollisionen in Nov Messungen bei 7 TeV seit Expte: ATLAS, CMS, ALICE, LHC B 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 26
27 Experimente 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 27
28 Proton Proton Kollisionen Large Hadron CERN, Schweiz p p pp collider bei s = 14 TeV Luminosität L = cm -2 s Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 28
29 Das ATLAS Experiment 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 29
30 Das ATLAS und CMS Experiment 45 m lang 23 m hoch 7000 t 22 m lang 15 m hoch t internat. Kollaborationen mit jeweils ~ PhysikerInnen 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 30
31 10. Sept. '08 first circulating beam 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 31
32 ATLAS Daten Ereignis (Sept. 2008) 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 32
33 20. Nov. '09 restart first beam in ATLAS 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 33
34 23. Nov. '09 first collisions at 900 GeV 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 34
35 ATLAS Kollisionsereignis 7 TeV (März 2010) 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 35
36 Erste Kollisionen ALICE LHCb CMS 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 36
![Datenrate und Größe Triggerrate [Hz] Daten am LHC: 15 PetaByte /Jahr Rate [Hz]](/docs-images/70/62229887/images/37-0.jpg "RAW [MB] Ereignis Größe [Byte] ESD rdst RECO [MB] AOD [kb] Monte Carlo [MB/evt]")
37 Datenrate und Größe Triggerrate [Hz] Daten am LHC: 15 PetaByte /Jahr Rate [Hz] RAW [MB] Ereignis Größe [Byte] ESD rdst RECO [MB] AOD [kb] Monte Carlo [MB/evt] Monte Carlo % of real ALICE HI ALICE pp ATLAS CMS ATLAS/CMS erstes Trigger Level : LHCb input > DVDs pro 20Sekunde 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt output > 22 DVDs pro Seite Sekunde 37
38 Erwartete Bilder: Higgs Zerfälle 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 38
39 Suche nach neuer Physik W tt - 2 single top :=1 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 39
40 Suche nach der Nadel im Heu haufen 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 40
41 Physik 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 41
42 Erste Physik vom LHC: Beispiel Top Quark schwerstes Elementarteilchen anderes Verhalten als andere erst 1995 entdeckt viele Eigenschaften noch unbekannt Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 42
43 Top Antitop Quark Produktionsrate ATLAS-CONF % Präzision! 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 43
44 Erwartung und Messung 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 44
45 Ladungsasymmetrie am Tevatron 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 45
46 Ladungsasymmetrie am LHC ATLAS-CONF CMS-TOP Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 46
47 Higgs Produktion am LHC H γγ: rare channel, but the best for low mass H WW(*): lνlν: very important in the intermediate mass range lνqq: highest rate, important at high mass H ZZ(*): 4l: golden channel llνν: good for high mass llbb: also high mass H ττ: good signal/background, important at low mass, rare Associated prod. qq-bar H qq-bar bb-bar tth, WH, ZH It is useful for the discovery It is very important for Higgs property studies if SM Higgs is discovered Erwartete Ereigniszahl: MH [GeV] WW lνlν ZZ 4l γγ Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 47
48 Einschub Statistik,,Some parameter : Typischer Weise die invariante Masse der Higgs Boson Zerfallsprodukte 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 48
49 Higgs bei kleinen Massen: Z ll 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 49
50 Higgs bei kleinen Massen: Z ll Kleiner Überschuss bei etwa 125 GeV, 244 GeV und 500 GeV. Lokale Sigifikanzen sind 2.1, 2.2 und 2.1. Kleiner Überschuss bei etwa 119 GeV, 126 GeV und 320 GeV. Lokal Sigifikanzen sind 2.7, 1.5 und Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 50
51 Higgs Produktion am LHC Kleiner Überschuss bei etwa 125 GeV, 244 GeV und 500 GeV. Lokale Sigifikanzen sind 2.1, 2.2 und 2.1. Kleiner Überschuss bei etwa 119 GeV, 126 GeV und 320 GeV. Lokal Sigifikanzen sind 2.7, 1.5 und Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 51
52 Higgs bei leichter Masse: H γγ 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 52
53 Higgs bei leichter Masse: H γγ 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 53
54 Higgs bei leichter Masse: H γγ Beobachteter Ausschluss: GeV, GeV Beobachteter Ausschluss: GeV 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 54
55 Higgs Produktion am LHC 2μ2e Kandidat: mlead: 85.9 GeV msubl: 85.5 GeV m4l: 210 GeV 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 55
56 Higgs Boson Suche kombiniert 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 56
57 Higgs Boson Suche am LHC erwartet beobachtet erwartet beobachtet 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 57
58 Anatomy des Überschusses 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 58
59 Zusammenfassung Higgs 2011/12 Jahre der Higgs-Suche Erlaubter Massenbereich: ~ GeV Überschuss am besten kompatibel mit 125 GeV Massenhypothese Zur Zeit ist die Signalhypothese (noch) nicht von der Untergrundhypothese mit Fluktuationen zu unterscheiden 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 59
60 Zusammenfassung Large Hadron Collider ist sehr erfolgreich gestartet erste Präzisionsmessungen, auch mit Göttinger Beteiligung neue Physik wird jetzt getestet Higgs Suche geht in entscheidende Phase 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 60
61 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 61
62 Präzisionsmessung präzise Vermessung des Z 0 3 leichte Neutrinoarten 3 Teilchenfamilien 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 62
63 Elektroschwache Präzisionsmessung Z 0 Masse mit 0.02 Promille Genauigkeit gemessen Magnetisches Moment des Elektrons sogar auf Promille Genauigkeit vorhergesagt und so gemessen!... Berücksichtigung von Quantenfluktuationen Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 63
64 Vorhersage des Top Quarks Vergleich Präzisionsmessung Korrektur Vorhersage der top-masse 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 64
65 Entdeckung des Top Quarks... Entdeckung genau da, wo vorhergesagt Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 65
66 Massive Teilchen der Higgs Mechanismus Probleme: Standardmodell gilt in dieser Form nur bis zu Energien von»1 TeV in bisheriger Beschreibung sind alle Teilchen (W±, Z0, Fermionen) masselos, in der Natur nicht; woher kommt die Masse/Trägheit von Teilchen? Lösung : Existenz eines Higgs Hintergrundfeldes und Higgs Bosons (mh < 1 TeV) < 1 TeV elektroschwache Symmetriebrechung ergibt Teilchenmasse (Kopplung an Fermionen m f) 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 66
67 Vorhersage der Higgs Masse inzwischen gemessen Vergleich Präzisionsmessung Korrektur Vorhersage der Higgs Masse 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 67
68 Vorhersage der Higgs Masse obere Grenze Higgs Boson steht vor der Tür...?! 29. Februar 2012, Dem Higgs Boson auf der Spur Arnulf Quadt Seite 68
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