Masterclasses mit LHC Daten: Auf Augenhöhe mit der aktuellen Forschung

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1 Masterclasses mit LHC Daten: Auf Augenhöhe mit der aktuellen Forschung Michael Kobel (TU Dresden) Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

2 Collider am CERN ALICE ATLAS CMS LHC-b LEP (e + e - ) GeV bis GeV LHC (pp) seit GeV > GeV? Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

3 Bilder vom LHC CERN visit - Introduction page 10 Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

4 Der ATLAS Detektor im Aufbau Beginn 2004 Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

5 Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

6 Erstes Ereignis bei 7 TeV am Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

7 Ziele der Teilchenphysik Warum? Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

8 Die Fragestellungen der Teilchenphysik: Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

9 Zeit: Verbindung zur Kosmologie Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

10 Raum: Das Erkennen der kleinsten Strukturen Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

11 Standardmodell der griechischen Philosophie Elemente und Kräfte: v.chr. Empedokles Vier Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft Zwei Urkräfte: Liebe, Haß Mischung, Trennung Symmetrien: v.chr. Platon Symmetrische Körper: Schönheit der Gesetze Kleinste Bausteine: v.chr. Demokrit Atome: verschiedene Formen und Gewichte Leere: Verbindung und Bewegung im Nichts Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

12 Heutiges Standardmodell der Teilchenphysik ( ) Fundamentale Wechselwirkungen zwischen Teilchen erfordern Botenteilchen (Austauschteilchen) werden aus Symmetrien vorhergesagt! Bausteine der Welt Träger von Ladungen Spielfeld der entsprechenden Wechselwirkungen Massenmechanismus Herkunft der Teilchenmassen noch unbekannt Hypothese: Higgsmechanismus, Nachweis: Higgs-Teilchen Errungenschaft des Standardmodells beschreibt *alle* bekannten Prozesse Ist (derzeit) DIE grundlegende Theorie der Physik Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

13 Weltformel : Lagrangedichte des Standardmodells auf CERN T-shirt und Mouse Pad Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

14 Mutter des Standardmodells 1918: Noether Theorem: Symmetrie Erhaltungsgröße Physikalische Gesetze unabhängig von... Emmi Noether ( ) Verschiebung der Zeitachse Erhaltung der Energie Verschiebung der Raumachsen Erhaltung des Impulses Drehung der Raumachsen Erhaltung des Drehimpulses Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

15 Fundamentale Prinzipien (erkannt ) Aufstellung der Terme der Weltformel : Natur verlangt offensichtlich ihre Invarianz unter 3 Symmetrien ( lokalen Umeichungen ) Bedeutung der Formel: Jedem Term entspricht in dieser Reihenfolge kinetische Energie freier Teilchen Wechselwirkung zwischen Teilchen Massen und Mischungen der Teilchen (durch Higgsfeld) Potenzielle Higgsenergie und Anregungen (Higgs-Teilchen) Terme, die die Symmetrie nicht erfüllen, sind verboten Symmetrie lässt sich nur mit Hilfe von Wechselwirkungen erfüllen -> lokale Eichsymmetrie ist Ursache der Wechselwirkungen! Alle Prozesse lassen sich mit Hilfe dieser Formel vorhersagen (z.b. Licht, Magnetismus, Elektromotor, Radiowellen, Kernzerfälle, Brennen von Sternen ) Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

16 Väter des Standardmodells 1961: GLASHOW (*1932) (NP: 1979) Lokale Eichsymmetrie SU(2) L x U(1) Y 1964: GELL-MANN (*1929), ZWEIG(*1937) Quarks 1965: HAN, NAMBU (*1921), GREENBERG starke Farbladung 1964: KIBBLE, GURALNIK, HAGEN, Spontane Symmetriebrechung ENGLERT, BROUT, HIGGS (Bilder) zur Massenerzeugung ( Higgs Boson ) 1967: SALAM ( ), WEINBERG (*1933) Elektroschwache Wechselwirkung: (Nobelpreis 1979 mit Glashow, Bild) Weinberg: A model of Leptons Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

17 Materie: Die fundamentalen Kräfte Jede Kraft hat eigene Botenteilchen Kraft (Wechselwirkung) Starke Kernkraft Botenteilchen Gluonen g Schwache Kraft Elektromagnetismus Weakonen (W und Z) Photonen g Schwerkraft Gravitonen? Wechselwirkung nur dann, wenn entsprechende Ladung vorhanden Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

18 Die elementaren Bausteine Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

19 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, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

20 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 Michael Kobel, Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

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

22 Aktivität heute : ATLAS Experiment, LHC Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten 170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern (u.a. TU Dresden) Größenvergleich Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

23 Confinement

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

25 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

26 Innerste Lage: Spurdetektoren Früher z.b: Blasenkammern, Nebelkammern manuelle und visuelle Rekonstruktion

27 Heute z.b. Driftkammer: elektronisch auslesbar Signaldraht misst Signal-höhe (de/dx) unterstützt Teilchenidentifikation Signal-zeit (Abstand) Spurrekonstruktion auf ~ 40 µm Oder z.b.: Halbleiterdetektoren, dünn, fein segmentiert

28 Impulsrekonstruktion Messung des Impulses über Spurkrümmung r im B-Feld p = Qe r B p(gev) = 0.3Qr(m)B(T)

29 Nächste Lage: Elektromagnetisches Kalorimeter (CMS) Ein Kristall: 2cm x 2cm x 23cm 26 X 0

30 Nächste Lage: Hadronische Kalorimeter Hadronische Schauer wesentlich unregelmäßiger Hadronische und Elektromagnetische (p 0 gg) Komponente

31 Das ATLAS Flüssig-Argon Calorimeter: Akkordeon

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33 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

34 Mathematisch s = ij Innere Struktur der Protonen ˆ fi ( x1 ) f j ( x2) s ij ( p1, p2 ) dx1dx2 Wechselwirkung der Partonen Parton: Bruchteil des Protons Quark oder Gluon PROTON BESTEHT I.W. AUS 2u + 1d QUARK U. GLUONEN

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

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

37 Charakteristik: fehlende Energie

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

40 ATLAS Kandidat für W tn

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

42 Die Ruhemassen der Bausteine Symmetrien erfordern masselose Teilchen Erhalten Masse erst ~ sec nach Urknall durch spontane Symmetriebrechung Entsteht Masse durch Kopplung an ein Higgs Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede? Masse (MeV/c²) ,1 1 0,01 0,001 0,0001 0, , E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E-12 0, ,5? 0, , x10 5 2x Familie Up Typ Down Typ Lepton +/- Neutrino

43 Die Bedeutung der Teilchenmassen fi Größen- und Energieskala der Atome (Moleküle, Festkörper, Lebewesen, ) Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien fi Bindungsenergie steigt mit m e fi Atomdurchmesser fällt mit 1 / m e fi Stabilität der Nukleonen: Feine Abstimmung zwischen fi Starker Kraft fi Elektromagn. Abstoßung der Quarks fi Massen(differenzen): m d - m u, m d - m e 45

44 Animation: Was wäre wenn Tatsächlicher Ablauf Kleinere W- Masse 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. 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 J.F.Donoghue, Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding (2007)

45 Leeres Vakuum Was ist Masse? Alle Teilchen sind masselos bewegen sich mit Lichtgechwindigkeit 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!

46 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 Masse erzeugen Anregung im Higgsfeld = Higgs-Teilchen

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

48 ATLAS Suche nach H gg (7. März 2012) Signatur: Anhäufung bei bestimmter invarianter Masse m gg

49 H ZZ 4 leptons ( ) v Goldener Kanal (kein Untergrund außer echten ZZ) v Am sensitivsten für 200 GeV<m H <275 GeV v Am zweitsensitivsten (nach WW) für 130 GeV<m H <200 GeV Michael Kobel

50 Gesamtergebnisse (gg+zz+ww) vom ATLAS v Ausschlussgebiete möglicher Massen des Higgs Bosons CMS v Vereinbarkeit der Häufigkeit mit der Vorhersage

51 Zweite Aufgabe für später Finden Sie Kandidaten für H W + W -

52 Konkurrenz anderer echter WW Erzeugung Gesuchtes Signal H W + W - Higgs Untergrund aus anderer W + W - Erzeugung

53 Neuestes ATLAS Ergebnis: Search for the Standard Model Higgs boson in the H->WW(*)-> lnulnu decay mode with 4.7 fb-1 of ATLAS data at sqrt(s) = 7 TeV ATLAS Collaboration, 05 March 2012, Beispiel: 13 W + W Jets Kandidaten (mehr Kandidaten mit 1 Jet oder 0 Jets) Higgs signal (Rot) erwartet bei kleinen werten von of Df ll 1.Lepton Df ll 2.Lepton

54 Ähnlich in CMS

55 VIEL SPAß BEIM MESSEN!