Masterclasses mit LHC Daten eine Premiere Michael Kobel (TU Dresden) Lehrertag Internationale Masterclasses, Dresden

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1 Masterclasses mit LHC Daten eine Premiere 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 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

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

13 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

14 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

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

16 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

17 Confinement

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

19 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

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

21 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

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

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

24 Warum Bremsstrahlen Elektronen? Dominant: Bremsstrahlung im Kernfeld ~ Z 2 / m 2 Kalorimeter brauchen große Kernladung Z Myonen sind 200 mal schwerer strahlen Mal weniger durchqueren alle Kalorimeter

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

26 Das ATLAS Flüssig-Argon Calorimeter: Akkordeon

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28 (geplante) Parameter des LHC 2010: 300 x : 3,5 TeV 2010: 4 MHz 2010: 10 7 pp-stöße/sec 2010: cm -2 s : ca. 3 Ereignisse überlagert

29 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

30 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

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

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

33 Charakteristik: fehlende Energie

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

36 ATLAS Kandidat für W tn

37 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

38 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

39 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 39

40 Animation: Was wäre wenn Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf 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)

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

42 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

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

44 Zweite Aufgabe für später Finden Sie Kandidaten für H W + W -! Oder sind es doch Z Z µ + µ - nn? Ist das eindeutig unterscheidbar?

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

46 How to discover the Higgs via WW decay Measurement of W+W Production and Search for the Higgs Boson in pp Collisions at sqrt(s) = 7 TeV CMS Collaboration, 01 March 2011, Brandnew: CMS finds 13 W + W - candidate events Consistent with expectation from Standard Model A Higgs signal would accumulate at small values of Df ll 1.lepton Df ll 2.lepton

47 UND VIEL SPAß!