Liebe Vermittler, diese Vorlage für einen Masterclass-Einführungsvortrag wurde im Team des Netzwerks abgestimmt, wobei viele Ideen aus Workshops mit

Transkript

1 Liebe Vermittler, diese Vorlage für einen Masterclass-Einführungsvortrag wurde im Team des Netzwerks abgestimmt, wobei viele Ideen aus Workshops mit Vermittlern einflossen. Der Vortrag soll Anregungen zur inhaltlichen und methodischen Gestaltung von Teilchenphysik-Masterclasses geben. Der erste Teil enthält die wichtigsten Inhalte zur Teilchenphysik, welche die Teilnehmer von Masterclasses zum Verständnis der Messung benötigen. Er eignet sich für alle LHC-Masterclasses. Danach bietet sich eine Pause an, bevor im zweiten Teil ab Folie 58 der ATLAS-Detektor und die Teilchenspuren-Identifikation mit der Software Minerva erklärt wird. Ab Folie 74 ist der Inhalt speziell auf den W-Pfad abgestimmt. Im dritten Teil ab Folie 101 finden Sie Diskussionsanregungen für die abschließende Auswertung der Datenanalyse (teils für alle LHC-Masterclasses, teils speziell für den W-Pfad). Für diesen sehr wichtigen Teil der Masterclass sollte eine gute halbe Stunde eingeplant werden. Bitte beachten Sie bei der Vorbereitung die Kommentare zu den Folien (in der Kommentarliste zu sehen, sowie als Sprechblase oben links auf jeder Folie). Sie enthalten Anregungen für Aktivitäten, didaktische und fachliche Hinweise sowie nützliche Links. Die Anregungen für Aktivitäten sind in einem separaten Dokument [Masterclass_Gestaltung] zusammengefasst, welches Sie ebenfalls auf der Webseite für Vermittler finden: Bei Masterclasses steht nicht genug Zeit zur Verfügung, um alle Folien zu besprechen. Als Auswahlhilfe gibt es auf allen Folien oben rechts folgende Icons: Die wichtigsten Inhalte, die für das Verständnis der Messung zentral sind Optionale Zusatzthemen Aktivitäten Viel Spaß wünscht Das Teilchenwelt-Team 1

2 Inhalt: Teil 1 Das CERN und der LHC 5-12 Materie- und Antimaterieteilchen 13, Aktivitäten: Größenordnungen, Elementarteilchen-Steckbriefe Elektronenvolt 22 Aktivität: Energien sortieren 24,25 Wechselwirkungen, Ladungen, Standardmodell Aktivität: Wechselwirkungen 28 Higgs-Boson 32 Aktivität: Antimaterie 33 Dunkle Materie 34 Feynman-Diagramme Teilchenbeschleuniger: Funktionsweise, Einsatzgebiete Teilchenkollisionen 46, 47 Zählexperimente, Datenmengen 48, 49 Kosmologie, Anwendungen der Teilchenphysik

3 Inhalt: Teil 2 Detektoren allgemein, ATLAS-Detektor (Übersicht) Teilchenrekonstruktion, Event-Display 64, 65 Teilchenspuren Aktivität: Teilchenspuren 70 Darstellungen von Teilchenspuren W-Bosonen: Eigenschaften 74, 75 W-Bosonen: Entstehung 76, 77 W-Bosonen: Zerfälle, Signalereignisse Aktivität: Zerfälle von W-Bosonen 79 Minerva: Die Grundlagen 82, 83, Signalereignis 1: W-Zerfälle Higgs-Boson: Zerfälle 91, 92 Signalereignis 2: WW-Zerfälle 93, 94 Winkelmessung 95, 96 Aufgabenstellung (3 Folien für verschiedene Datensätze)

4 Inhalt: Auswertung Grundlagen: Was habt ihr warum gemacht? 102, 103 Kriterien für W-Signalereignisse (PT, MET) 104, 105 Das W + /W - - Verhältnis 106, 107 Datenmengen 108 Forschungsmethoden Higgs-Boson: Zerfälle, Winkelverteilung, aktueller Stand

5 Teil 1: Die Welt der kleinsten Teilchen

6 6

7 Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) Das größte Teilchenphysik-Forschungszentrum der Welt im Grenzgebiet zwischen der Schweiz und Frankreich 7

8 Der LHC (Large Hadron Collider) Ein 27 km langer, ringförmiger Teilchenbeschleuniger 4 Teilchen-Detektoren: ATLAS, ALICE, CMS und LHC-b 8

9 Was geschieht im LHC? Protonen kreisen in entgegengesetzten Richtungen mit einer Energie von je 4 Tera-Elektronenvolt (TeV) Wenn die Protonen zusammenstoßen, entstehen neue Teilchen, die man in Detektoren nachweist. 9

10 Der LHC ist Eine der schnellsten Rennstrecken der Welt Knapp eine Billiarde Protonen 99,999997% der Lichtgeschwindigkeit 27 km langer Tunnel über Runden pro Sekunde! 10

11 Der LHC ist Der leerste Raum im Sonnensystem Im Strahlrohr herrscht ein Vakuum wie im interstellaren Raum; selbst auf dem Mond ist der Druck höher. 11

12 Der LHC ist Einer der kältesten Orte im Universum Die supraleitenden Magnete des LHC arbeiten bei -271 C: kälter als im Weltall! 100 Tonnen flüssiges Helium der größte Tiefkühlschrank der Welt! 12

13 Woraus besteht die Welt? Alle Materie besteht letztlich aus Elementarteilchen das sind Teilchen, die nicht aus noch kleineren Teilchen bestehen. Die stabile Materie in unserer Umgebung besteht aus Elektronen, Up- und Down-Quarks. 13

14 Wie klein sind Elementarteilchen? Ordnet die folgenden Begriffe auf der Längenskala ein! Proton, Atom, Neutron, Mensch, Elektron, Zucker-Molekül, Fliege, Atomkern, Quarks, Fußballfeld Mensch Ausdehnung in m :10 :

15 Wie klein sind Elementarteilchen? Quarks Elektron < m Atomkern Zucker- Molekül Fußballfeld Proton Neutron Atom Fliege Mensch Ausdehnung in m :10 :

16 Noch mehr Elementarteilchen? 16

17 Elementarteilchen sortieren Bringt Ordnung in die Elementarteilchen! Dabei helfen euch die Teilchen-Steckbriefe. Sortiert die Teilchen in sinnvolle Gruppen. Überlegt dann: Welche Eigenschaften haben die Teilchen in einer Gruppe gemeinsam? Was unterscheidet die Teilchen in einer Gruppe voneinander? Wie könnt ihr sie innerhalb der Gruppen sortieren? Vergleicht dann die Teilchensorten miteinander: Was unterscheidet Quarks von den anderen Materieteilchen (Leptonen)? Was unterscheidet Neutrinos von anderen Materieteilchen? Was unterscheidet Materie von Antimaterie, was haben sie gemeinsam? 17

18 Quarks Quarks tragen eine drittelzahlige elektrische Ladung: +2/3 oder -1/3. Quarks tragen eine von drei starken Ladungen ( Farbladungen ): rot, grün oder blau. Man findet Quarks nie einzeln, sondern nur als Hadronen : Das sind Kombinationen von zwei oder drei Quarks und/oder Antiquarks. 18

19 Leptonen Drei Leptonen sind negativ elektrisch geladen: Das Elektron und seine massereicheren, instabilen Verwandten, das Myon und das Tauon. Drei Leptonen tragen keine elektrische Ladung. Sie heißen Neutrinos und sind sehr leicht. 19

20 Materieteilchen Stabile Materie in unserer Umgebung besteht nur aus Teilchen der ersten Generation: Elektronen, Up- und Down-Quarks. Von ihnen gibt es je zwei massereichere, instabile Kopien mit gleichen Ladungen (2. und 3. Generation).

21 Antimaterie Zu jeder Materieteilchensorte gibt es eine Antiteilchensorte mit gleicher Masse und entgegengesetzten Ladungen. 21

22 Antimaterie Trifft ein Materieteilchen auf sein Antiteilchen, so vernichten sie sich, d.h. aus der vorhandenen Energie entstehen Photonen (oder andere Austauschteilchen): Umgekehrt kann aus Austauschteilchen ein Teilchen-Antiteilchen-Paar entstehen: 22

23 Elektronenvolt 1 ev ist die Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es eine Spannung von 1 Volt durchfliegt. 1 ev = 1,6 * Joule 1 GeV = 10 9 ev 1 TeV = ev Beispiele: 4 TeV: Bewegungsenergie eines Protons im LHC, Bewegungsenergie einer Mücke 0,94 GeV/c²: Masse eines Protons Man kann auch Massen in ev angeben! (wegen E=mc²) 23

24 Energien sortieren Ordnet die folgenden Energien nach ihrer Größe: Masse eines Protons: Bewegungsenergie einer Mücke im Flug Bewegungsenergie eines ICE bei 150 km/h Bewegungsenergie eines Protons im LHC Masse eines Elektrons Bewegungsenergie eines Menschen (75 kg) beim Gehen Bewegungsenergie aller Protonen im LHC 24

25 Energien sortieren: Lösung a) Masse eines Elektrons b) Masse eines Protons c) Bewegungsenergie einer Mücke im Flug d) Bewegungsenergie eines Protons im LHC e) Bewegungsenergie eines Menschen (75 kg) beim Gehen f) Bewegungsenergie aller Protonen im LHC g) Bewegungsenergie eines ICE bei 150 km/h a b c, d e f, g : Energie in ev 1 Joule 25

26 Wechselwirkungen Wenn Teilchen einander begegnen, wechselwirken sie: d.h. sie können sich gegenseitig anziehen oder abstoßen, Teilchen können erzeugt werden oder sich ineinander umwandeln, etc. Wechselwirkungen werden durch Austauschteilchen übertragen: 26

27 Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung Anziehung zwischen Quarks, Zusammenhalt von Atomkernen Elektromagnetische Wechselwirkung Elektromagnetische Wellen, Zusammenhalt von Atomen, Chemie, Magnetismus Schwache Wechselwirkung Betazerfall, Kernfusion (Umwandlung von schweren Quarks in leichtere Quarks, und von schweren Leptonen in leichtere Leptonen) Wechselwirkung von Neutrinos mit anderen Teilchen Gravitation Anziehung zwischen Massen: Schwerkraft, Umlauf der Planeten Spielt für Elementarteilchen keine Rolle; sehr schwach 27

28 Wechselwirkungen Welche Wechselwirkung spielt die Hauptrolle? Jemand telefoniert mit dem Handy Ein Atomkern wandelt sich durch einen Betazerfall in einen anderen um Viele Atomkerne sind stabil, obwohl sich Protonen gegenseitig abstoßen Eine Kompassnadel richtet sich nach Norden aus Zwei Atome gehen eine chemische Bindung ein Ein Glas fällt vom Tisch Zwei Up-Quarks und ein Down-Quark bilden ein Proton; Quarks kommen nie einzeln vor 28

29 Wechselwirkungen und Austauschteilchen Das Photon vermittelt die Elektromagnetische Wechselwirkung. Acht Gluonen vermitteln die Starke Wechselwirkung. Die massereichen W- und Z-Bosonen vermitteln die Schwache Wechselwirkung. 29

30 Ladungen und Wechselwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung. Nur Teilchen mit der entsprechenden Ladung spüren die Wechselwirkung: Starke Wechselwirkung Starke Ladung (Quarks, Gluonen) Elektromagnetische Wechselwirkung Elektrische Ladung (Quarks, 3 Leptonen, W-Bosonen) Schwache Wechselwirkung Schwache Ladung (alle Materieteilchen, W-Bosonen) 30

31 Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen ist durch viele Experimente bestätigt doch es gibt noch viele offene Fragen! Woher haben Teilchen ihre Masse? Gibt es noch mehr Elementarteilchen? Was ist Dunkle Materie? Warum gibt es 3 Generationen? Wieso gibt es so viel mehr Materie als Antimaterie? 31

32 Das Higgs-Boson Aus dem Standardmodell folgt: Elementarteilchen sind an sich masselos. Aber was würde geschehen, wenn Teilchen tatsächlich masselos wären? Masselose Teilchen würden sich stets mit Lichtgeschwindigkeit bewegen; es gäbe keine feste Materie. Wie erhalten Teilchen ihre Masse? Mögliche Erklärung: Teilchen wechselwirken mit dem Higgs-Feld und erhalten so Masse. Schwingungen des Higgs-Feldes sollten als neues Elementarteilchen experimentell nachweisbar sein: Das Higgs-Boson. 32

33 Illuminati: Fakt oder Fiktion? an extremely combustible substance called antimatter antimatter has never been generated in significant quantities before it s a way of studying the origins of the universe to isolate what some people call the God particle, it s what gives all matter mass There are implications for energy research The antimatter is suspended in an airtight shell with electromagnets If it were to fall out of suspension and come into contact with matter, then they would annihilate violently a cataclysmic event, a blinding explosion equivalent to about 5 kilotons 33

34 Was ist Dunkle Materie? Beobachtungen zeigen, dass es nicht nur atomare Materie geben kann: Galaxien rotieren zu schnell: Viel mehr Materie wäre nötig! Die Strukturen von Galaxienhaufen sind nur mit viel mehr Materie zu erklären. Es muss eine bisher unbekannte Materieform geben: Dunkle Materie. Das Universum dehnt sich heute schneller aus als früher. Etwas beschleunigt die Ausdehnung des Universums: Dunkle Energie. Der größte Teil des Universums besteht aus Dunkler Materie und Dunkler Energie! Am CERN sucht man nach Teilchen, aus denen Dunkle Materie bestehen könnte. Dunkle Energie: 68% Dunkle Materie: 27% Atomare Materie: 5% 34

35 Feynman-Diagramme veranschaulichen Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen. Jedes Teilchen wird durch eine Linienart dargestellt: Materieteilchen Antimaterieteilchen W- oder Z-Boson, Photon Gluon 35

36 Raum Feynman-Diagramme setzen sich aus vier Bausteinen zusammen: Abstrahlung Einfang Paarvernichtung Paarbildung Zeit Achtung: Antiteilchen bewegen sich nicht rückwärts in der Zeit, sondern vorwärts wie alle anderen Teilchen auch. 36

37 Raum Feynman-Diagramme zeigen: welche Teilchen vor der Wechselwirkung vorhanden sind wie sie wechselwirken welche Teilchen danach vorhanden sind Ein Teilchen und ein Antiteilchen treffen aufeinander Sie vernichten sich in ein Austauschteilchen, z.b. ein Photon Aus dem Austauschteilchen entstehen ein Teilchen und ein Antiteilchen Zeit 37

38 Feynman-Diagramme Noch ein Beispiel der Beta-Zerfall: d d u W - e - ν e Neutron Proton u d u Ein Down-Quark wandelt sich in ein Up-Quark um Dabei sendet es ein W-Boson aus Dieses wandelt sich in ein Elektron und ein Antineutrino um Animation 38

39 Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Der einfachste Beschleuniger: Ein alter Fernseher (Braun sche Röhre)! Elektronen erzeugen: Glühkathode beschleunigen: elektrisches Feld (Hochspannung) ablenken und fokussieren: elektrisches oder magnetisches Feld Glühkathode Fokussier- Elektrode Anode Ablenkplatten Leuchtschirm Elektronen- Strahl 39

40 Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Um in Teilchenbeschleunigern höhere Energien zu erreichen, durchlaufen die geladenen Teilchen ein elektrisches Wechselfeld: Proton Wird die Polung des elektrischen Feldes im richtigen Moment umgekehrt, wird das Teilchen beschleunigt. 40

41 Wie funktioniert der LHC? Im LHC durchlaufen Pakete (Bunches) von Protonen eine kreisförmige Bahn, auf der sie beschleunigt werden (elektrisches Wechselfeld) abgelenkt werden (Dipol-Magnete) und fokussiert werden (Quadrupol-Magnete) 41

42 Magnetfelder und geladene Teilchen Ein Magnetfeld lenkt elektrisch geladene Teilchen senkrecht zu ihrer Flugbahn ab (Lorentzkraft): Elektron Positron Kleiner Impuls Großer Impuls x: Das Magnetfeld zeigt vom Betrachter weg Die Richtung und Stärke der Bahnkrümmung hängen von der elektrischen Ladung und vom Impuls (also von Masse und Geschwindigkeit) des Teilchens ab. 42

43 Wozu Teilchenbeschleuniger? Strukturuntersuchungen α-strahler Goldfolie Detektor Rutherford-Streuexperiment (1911) Streuung von α-teilchen an Goldatomen Atomkern Experiment am SLAC (1969) Streuung von Elektronen an Protonen Quarks 43

44 Wozu Teilchenbeschleuniger? Erzeugung massereicher Teilchen Masse ist eine Form von Energie! Masse und andere Energieformen können sich ineinander umwandeln. Beispiel: Kernspaltung im Kraftwerk (Masse Wärme elektrische Energie) Teilchenkollisionen! (Bewegungsenergie Masse) 44

45 Wozu Teilchenbeschleuniger? Erzeugung massereicher Teilchen Bei Teilchenkollisionen wandelt sich ein Teil der Bewegungsenergie in Masse um So werden völlig neue Teilchen erzeugt diese waren vorher keine Teile der Protonen! Manchmal entstehen auch exotische Teilchen! 45

46 Teilchenkollisionen im LHC 2 gegenläufige Protonenstrahlen mit je 1400 Teilchenpaketen 100 Milliarden Protonen pro Paket Teilchenpakete Protonen 20 Millionen Paket-Kreuzungen pro Sekunde mit je etwa 30 Proton-Proton-Kollisionen Quarks, Gluonen ca. 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde! 46

47 Teilchenkollisionen im LHC 600 Mio. Kollisionen pro Sekunde! Warum? Interessante Teilchen entstehen sehr selten: ca. 1x pro Kollisionen! Welche Teilchen bei einer bestimmten Kollision entstehen, ist vom Zufall bestimmt Man kann nur vorhersagen, wie häufig welche Teilchenkombinationen vorkommen werden Vergleich der Messergebnisse mit Vorhersagen aus dem Standardmodell und anderen Theorien 47

48 Warum so viele Kollisionen? Ist der Würfel manipuliert oder nicht? Daten Erwartung ±1σ ±2σ Existiert das Higgs-Boson oder nicht? 48

49 Wohin mit so vielen Daten? 20 Mio. Protonenpaket-Kreuzungen pro Sekunde Detektoren weisen die entstandenen Teilchen nach einige MB pro Ereignis das wären mehrere Terabyte pro Sekunde! Datenreduktion notwendig "Trigger": automatische Auswahl interessanter Messdaten (Ereignisse) etwa 1000 Ereignisse/s bleiben übrig Verteilung der Daten auf ca Rechner in 34 Ländern (LHC-Grid) etwa 15 Millionen Gigabyte (15 Petabyte) pro Jahr! 49

50 Was bringt mir das CERN? Erkenntnisgewinn! z.b. über die Geschichte, Funktionsweise und den Aufbau des Universums Anwendungen: World Wide Web Medizin: Tumortherapie, PET Weiterentwicklung von Technologien für Computerchips, Detektoren, Magnete uvm. 50

51 Die Geschichte des Universums Urknall Inflationäre Expansion Kräfte nehmen heutige Form an Nukleonen entstehen Atomkerne entstehen Atome entstehen Sterne entstehen heute Zeit s s 10-5 s 3 min Jahre 10 9 Jahre Jahre Energie TeV 100 GeV 150 MeV 0,1 MeV 1 ev 1 mev 0,25 mev LHC-Energie 51

52 Die Geschichte des Universums Was wäre, wenn Elementarteilchen andere Massen hätten? Video 52

53 Das World Wide Web Erfunden 1989 am CERN von Tim Berners-Lee Methode, um schnell und einfach wissenschaftliche Daten auszutauschen Erster Webserver lief am CERN 53

54 Positronen-Emissions-Tomografie PET: Ein bildgebendes Verfahren für die Medizin Patienten wird eine spezielle Zuckerlösung gespritzt Diese enthält ein Fluor-Isotop, das Positronen abstrahlt (β + - Strahler) Zucker sammelt sich in Gewebe, das viel Energie benötigt, besonders in Tumorgewebe Positronen und Elektronen zerstrahlen in zwei Photonen Detektoren registrieren die Photonen Eine Software berechnet den Ursprungsort der Photonen und setzt daraus ein Bild zusammen Detektoren β + - Strahler 54

55 Tumortherapie mit Hadronen Vorteil gegenüber Bestrahlung mit Elektronen oder Photonen: Eindringtiefe einstellbar, genaue Fokussierung auf den Tumor möglich es werden mehr Tumorzellen als gesunde Zellen zerstört gut für tiefliegende Tumore geeignet geringere Dosis nötig Nachteile: hohe Kosten, großer Beschleuniger nötig Photonen Kohlenstoff-Ionen 55

56 Grundlagenforschung als Motor für Innovation Relativitätstheorie Elektromagnetismus 56

57 P A U S E 57

58 Teil 2: Analyse von Teilchenspuren im ATLAS-Detektor

59 Wie weist man Elementarteilchen nach? Bildgebende Detektoren z.b.: Nebelkammer, Blasenkammer Elektronische Detektoren z.b: ATLAS-Detektor, Geigerzähler sichtbare Teilchenspuren elektrische Signale Eigenschaften der Teilchen werden daraus rekonstruiert 59

60 Der ATLAS-Detektor 22 m 45 m 60

61 Forschung am ATLAS-Detektor Wie entsteht Masse? Welche physikalischen Effekte gibt es jenseits des Standardmodells? Gibt es eine vierte Teilchengeneration oder weitere Wechselwirkungen? Gibt es supersymmetrische Teilchen? Gibt es mehr als 3 Raum-Dimensionen? Woraus könnte Dunkle Materie bestehen? 61

62 Der ATLAS-Detektor Spurdetektoren messen die Spuren und Impulse von geladenen Teilchen befinden sich in einem Magnetfeld Hadronisches Kalorimeter misst die Energie von Hadronen (= aus Quarks bestehende Teilchen) Elektromagnetisches Kalorimeter misst die Energie von Elektronen, Positronen und Photonen Myonenkammern messen die Spuren und Impulse von Myonen befinden sich in einem Magnetfeld 62

63 Was misst ATLAS? Spurdetektoren: Spur Kalorimeter: Energie Impuls und Vorzeichen der elektrischen Ladung Besonders wichtig sind die transversalen Anteile von Impuls und Energie (senkrecht zum Strahlrohr): PT: transversaler Impuls ET: transversale Energie 63

64 Teilchenrekonstruktion Impulsmessung Energiemessung Ladungsbestimmung Grafische Darstellung der Teilchenspuren und Energieeinträge in einem Event-Display 64

65 Das Event-Display So stellt die Software MINERVA den ATLAS-Detektor dar: Querschnitt des ATLAS-Detektors Energieeinträge im Kalorimeter Seitenansicht 65

66 Teilchenspuren: Elektron oder Positron Spur im inneren Detektor Vollständige Energieabgabe im elektromagnetischen Kalorimeter Keine Energieabgabe im hadronischen Kalorimeter Photon: Wie Elektron, aber ohne Spur im inneren Detektor 66

67 Teilchenspuren: Myon oder Antimyon Spur im inneren Detektor und in den Myonenkammern Wenig Energieabgabe in Kalorimetern Spuren in den Myonenkammern sind teils schwierig erkennbar Beide Ansichten nutzen! 67

68 Teilchenspuren: Quarks Quarks erzeugen Bündel aus Hadronen (z.b. Pionen, Protonen, Neutronen): Jets Nachweis: Spurbündel Energieabgabe in beiden Kalorimetern 68

69 Neutrinos Neutrinos hinterlassen keine Spur und keine Energie in den Kalorimetern. Woran kann man sie trotzdem erkennen? Wenn ein Neutrino durch den Detektor fliegt, fehlt in dieser Richtung Impuls bzw. Energie: Missing ET Die Richtung des fehlenden Impulses wird durch eine gestrichelte Linie dargestellt. 69

70 Übung Findet euch in Gruppen zusammen: Geladene Leptonen Quarks Neutrinos Bosonen Wie wechselwirken eure Teilchen im ATLAS-Detektor? 70

71 Teilchenspuren: Übersicht Spurdetektor Elektromagnetisches Kalorimeter Hadronisches Kalorimeter Myonenkammer PT 2 GeV/c 2 4 GeV/c 4 10 GeV/c GeV/c > 40 GeV/c 71

72 Teilchenspuren im ATLAS-Detektor Animation 72

73 Teilchenspuren im ATLAS-Detektor 73

74 Die Hauptdarsteller heute: W-Bosonen Mit ihrer Hilfe werden wir den Aufbau von Protonen erforschen und erfahren, wie Physiker nach dem Higgs-Boson suchen.

75 W-Bosonen sind Austauschteilchen der Schwachen Wechselwirkung sind elektrisch geladen: W +, W - gehören zu den massereichsten Teilchen des Standardmodells (80,4 GeV! ) wandeln sich nach ca s in leichtere Teilchen um geringe Reichweite Daher können wir sie nicht direkt im Detektor beobachten, sondern erkennen sie anhand ihrer Zerfallsprodukte! 75

76 Wie entstehen W-Bosonen? Beim Beta-Minus-Zerfall wandelt sich ein Down-Quark in ein Up-Quark um und sendet ein W - aus (umgekehrt beim Beta-Plus-Zerfall) e - e + W - ν e W + ν e d d u u d u u u d d u d β - -Zerfall: d W - + u β + -Zerfall: u W + + d Zusammenstoß von Protonen im LHC 76

77 Wie entstehen W-Bosonen? Beta-Zerfall Zusammenstoß von Protonen im LHC: Beim Zusammenstoß von Quarks und Gluonen wird Bewegungsenergie in Masse umgewandelt. W + W - u + g W + + d - d + g W - + u In welchem Verhältnis sollten W + und W - im LHC entstehen? 77

78 Wie zerfallen W-Bosonen? Das Ergebnis eines bestimmten Zerfalls ist nicht vorhersagbar Man kann vorhersagen, welche Teilchenkombinationen möglich sind, und wie oft sie bei vielen Zerfällen jeweils auftreten werden W - Bei allen Zerfällen gelten Impuls-, Energie- und Ladungserhaltung (Ladung des Teilchens vor dem Zerfall = Summe der Ladungen danach) In welche Teilchenkombinationen kann sich ein W - -Boson umwandeln? 78

79 Wie zerfallen W-Bosonen? Kann sich ein W - -Boson in die folgenden Teilchen umwandeln? Positron und Elektron Myon und Antineutrino Zwei Positronen Strange-Quark und Charm-Antiquark W - Findet weitere mögliche Teilchenkombinationen! (Ladungserhaltung ) 79

80 Wie erkennt man W-Bosonen? Man sucht nach ihren Zerfallsprodukten. W-Bosonen zerfallen meistens so: W ± Quark + Antiquark W - Lepton (e -, µ -, τ - ) + Antineutrino W + Antilepton + Neutrino W - Art der Zerfallsprodukte (Anti-)Lepton(e, µ, τ) + (Anti-) Neutrino Quark + Antiquark Wahrscheinlichkeit 33,3% 66,6% Möglichkeiten

81 Wie erkennt man W-Bosonen? Ihr sucht heute nach folgenden Zerfallsprodukten: - - W - e - + v - - W - µ - + v W + e + + v W + µ + + v W - Das sind Signalereignisse. Alle anderen Ergebnisse von Kollisionen sind "Untergrund". 81

82 Die Software MINERVA Werkzeuge, Navigation Anzeige der Teilchenspuren Einstellungen Informationen zu Teilchenspuren 82

83 Die Software MINERVA Datenpaket öffnen Datenpaket durchblättern Zoom Spur- Auswahl Fischaugen- Zoom 83

84 Signalereignis 1: So erkennst du W-Zerfälle Zur Erinnerung: W - e - + v W - µ - + v W + e + + v W + µ + + v Gesamtenergie vor dem Zerfall = Gesamtenergie nachher! Die Zerfallsprodukte tragen weniger Masse als W-Bosonen, also ist ihre Bewegungsenergie bzw. ihr Impuls (PT) sehr hoch. Die optimalen Grenzen für die Suche nach W-Bosonen wurden durch Simulationen bestimmt. 84

85 Signalereignis 1: So erkennst du W-Zerfälle W - e - + v W - µ - + v W + e + + v W + µ + + v Checkliste: Das Ereignis enthält ein energiereiches (Anti-)Neutrino: Missing ET > 25 GeV Es enthält genau ein elektrisch geladenes Lepton (e, µ oder ihre Antiteilchen) das von Jets isoliert ist mit PT > 20 GeV 85

86 Signalereignis 1: So erkennst du W-Zerfälle Das Ereignis enthält ein energiereiches Neutrino: Missing ET > 25 GeV Fehlende transversale Energie Missing ET Darstellung als rot gestrichelte Linie (nur im Querschnitt) 86

87 Signalereignis 1: So erkennst du W-Zerfälle Es enthält genau ein elektrisch geladenes Lepton das von Jets isoliert ist mit PT> 20 GeV 87

88 Signalereignis 1: So erkennst du W-Zerfälle Es enthält genau ein elektrisch geladenes Lepton das von Jets isoliert ist mit PT> 20 GeV So bestimmt ihr PT und die elektrische Ladung: Klick auf Spurauswahl-Werkzeug Klick auf Spur des Teilchens Unten rechts: PT, Ladungsvorzeichen ablesen 88

89 Praxistipp: Cut einstellen Oft sind sehr viele Spuren im Spurdetektor zu sehen. Du kannst Spuren mit niedrigem Impuls ausblenden: Gib in der Registerkarte Cuts im Feld ІPtІ einen Wert ein. Spuren mit kleinerem PT werden ausgeblendet. Gib danach wieder einen niedrigen Impuls ein! Sonst kannst du keine Jets identifizieren. 89

90 Signalereignis 1: So erkennst du W-Zerfälle 90

91 Entdecke das Higgs-Boson! Das Higgs-Boson muss massereich und elektrisch neutral sein. In welche Teilchen könnte es zerfallen? Higgs b + b γ +γ W + + W - Z 0 + Z 0 Diese Teilchen zerfallen wiederum e + + e ν µ + + µ - +2 ν e + + µ ν e - + µ ν τ + + τ - +2 ν 2e + +2e - 2µ + +2µ - 2 τ + +2 τ - e + +e - +µ + +µ - e + +e - + τ + + τ - usw. usw. 91

92 Entdecke das Higgs-Boson! Das Higgs-Boson muss massereich und elektrisch neutral sein. In welche Teilchen könnte es zerfallen? Higgs b + b γ +γ W + + W - Z 0 + Z 0 Heute beschränken wir uns auf wenige Möglichkeiten (WW-Zerfälle): e + + e ν µ + + µ - +2 ν e + + µ ν e - + µ ν τ + + τ - +2 ν 2e + +2e - 2µ + +2µ - 2 τ + +2 τ - e + +e - +µ + +µ - e + +e - + τ + + τ - usw. usw. 92

93 Checkliste: Signalereignis 2: So erkennst du WW-Zerfälle Im Ereignis fehlt viel Energie bei gleichartigen Leptonen: Missing ET > 50 GeV bei nicht gleichartigen Leptonen: Missing ET > 25 GeV Das Ereignis enthält genau zwei entgegengesetzt elektrisch geladene Leptonen (e +, e -, µ +, µ - ) die von Jets isoliert sind eines trägt PT > 15 GeV, das andere PT > 25 GeV 93

94 Signalereignis 2: So erkennst du WW-Zerfälle 94

95 Higgs-Boson oder Untergrund? Zwei W-Bosonen können von einem Higgs-Boson stammen aber sie können auch anders entstanden sein (Untergrund), z.b. so: Wie können wir Higgs-Bosonen von Untergrund unterscheiden? 95

96 Higgs-Boson oder Untergrund? Um zwischen Higgs-Zerfällen und Untergrund zu unterscheiden, misst man den Winkel ΔΦ zwischen den beiden Leptonen (senkrecht zum Strahlrohr). Winkelmessung: Spurauswahl-Werkzeug anklicken P-Taste gedrückt halten, beide Spuren markieren Der Winkel ΔΦ wird in der Infobox angezeigt 96

97 Jetzt seid ihr dran! International Masterclass (W-Pfad 2013): MINERVA (Version 2013) herunterladen: Übung 1 (optional): Übung 2: Datenpaket herunterladen und in Minerva öffnen: Jedes Team erhält ein Datenpaket (Buchstabe A-T) mit Ereignisbildern aus 50 Kollisionen. Jedes Team durchsucht sein Datenpaket nach Signalereignissen für W- und WW-Zerfälle und trägt sie in der Strichliste ein. 97

98 Jetzt seid ihr dran! Teilchenphysik-Masterclass (Daten von 2013): MINERVA (Version 2013) herunterladen: Übung 1 (optional): Übung 2: Datenpaket herunterladen und in Minerva öffnen: Jedes Team erhält ein Datenpaket (Buchstabe A-T) mit Ereignisbildern aus 50 Kollisionen. Jedes Team durchsucht sein Datenpaket nach Signalereignissen für W- und WW-Zerfälle und trägt sie in der Strichliste ein. 98

99 Jetzt seid ihr dran! Teilchenphysik-Masterclass (DVD von 2012): MINERVA von DVD starten: DVD im Explorer öffnen Doppelklick auf Minerva for Windows (bzw. Linux) Übung 1 (optional): Übung 2: Datenpaket in Minerva öffnen: Masterclasses 2012 > exercises > ATLAS > minerva > events Jedes Team erhält ein Datenpaket (Buchstabe A-T) mit Ereignisbildern aus 50 Kollisionen. Jedes Team durchsucht sein Datenpaket nach Signalereignissen für W- und WW-Zerfälle und trägt sie in der Strichliste ein. 99

100 100

101 Teil 3: Auswertung

102 Was habt ihr warum gemacht? Welche Schwierigkeiten und Unklarheiten gab es bei der Datenanalyse? Warum haben wir nur nach Elektronen- und Myonenspuren gesucht? Tauonen zerfallen zu schnell, um in den Detektor zu gelangen; ihre Zerfallsprodukte sind schwierig zu identifizieren Quark-Antiquark-Paare entstehen bei vielen Arten von Ereignissen, nicht nur beim Zerfall von W-Bosonen es wäre schwierig, dazwischen zu unterscheiden. 102

103 Was habt ihr warum gemacht? Wie kamen die Kriterien für die Signalereignisse (W- und WW-Zerfälle) zustande? Die Ladungen von W-Bosonen sind bekannt. Ladungen vorher = Summe der Ladungen nachher! Daraus kann man auf die Teilchenkombinationen schließen, in die W-Bosonen zerfallen können. Bei Higgs-Bosonen ist es ganz ähnlich. Wie kamen die Grenzen für PT und Missing ET zustande? Higgs- und W-Bosonen sind sehr massereich. Ihre Zerfallsprodukte sind viel leichter; also müssen sie sehr schnell sein bzw. eine hohe Bewegungsenergie haben. Die optimalen Grenzen wurden durch Simulationen bestimmt. 103

104 Kriterien für die Suche nach W-Bosonen Die optimalen Grenzen für PT und Missing ET wurden durch Simulationen aus dem Standardmodell bestimmt. Y-Achse: Anzahl von Ereignissen, die ein Myon enthalten (abhängig vom PT des Myons) Weiß: Nur dieser Anteil der Ereignisse stammt von W-Bosonen! Der Rest stammt von anderen Prozessen. Ereignisse mit PT < 20 GeV kann man vernachlässigen, weil sie nur wenige W-Bosonen enthalten. Auf ähnliche Weise lassen sich PT- und MET-Grenzen für die Suche nach Higgs-Bosonen und anderen Teilchen festlegen. 104

105 Kriterien für die Suche nach W-Bosonen Auf ähnliche Weise lassen sich Grenzen für die fehlende Energie festlegen: Y-Achse: Anzahl von Ereignissen, die ein Elektron und fehlende Energie enthalten Weiß: W-Bosonen (Simulation) Ereignisse mit wenig fehlender Energie (< 25 GeV) kann man weglassen, weil sie nur wenige W-Bosonen enthalten. 105

106 Das W + / W - -Verhältnis Welches Verhältnis von W + und W - -Bosonen hattet ihr erwartet? Was könnte ein Grund für ein abweichendes Ergebnis sein? Bei Protonen-Kollisionen können W-Bosonen bei Quark- Gluon-Wechselwirkungen entstehen. Hierbei entstehen doppelt so viele W + wie W -. Doch W-Bosonen entstehen auch bei Gluon-Gluon- Wechselwirkungen: Bei diesen Prozessen entstehen W + und W - gleich oft. Dadurch wird das Verhältnis verzerrt. 106

107 Ergebnisse Wie gut stimmt das gemessene Verhältnis mit dem Ergebnis von ATLAS überein? Worin können Gründe für Abweichungen liegen? Wie beeinflusst die Anzahl der analysierten Ereignisse die Messunsicherheit? Je mehr Daten, desto kleiner wird der gesamte relative Messunsicherheit 107

108 Datenmengen Warum ist es in der Teilchenphysik nötig, so viele Daten zu sammeln? Higgs-Bosonen (bzw. generell exotische Teilchen) werden selten erzeugt: etwa einmal pro Kollisionen! Welche Teilchen bei einer bestimmten Kollision entstehen, ist vom Zufall bestimmt. Man kann nur Häufigkeiten verschiedener Teilchenkombinationen, Winkel etc. vorhersagen. Bei einigen Zerfallskanälen gibt es viel Untergrund, den man zum Teil nicht von den gewünschten Ereignissen unterscheiden kann. Z.B. können WW-Paare auch durch allerlei Prozesse ohne Higgs-Boson entstehen. Der relative Messfehler sinkt mit steigender Datenmenge. Je mehr Daten man sammelt, desto sicherer kann man sein, ob es sich wirklich um eine Entdeckung handelt oder um Zufall. 108

109 Die Suche nach exotischen Teilchen Wie suchen Forscher nach exotischen Teilchen (wie z.b. dem Higgs-Boson)? Aus dem Standardmodell lässt sich theoretisch vorhersagen, in welche Teilchenkombinationen das Higgs-Boson zerfallen sollte. Nach diesen Zerfallsprodukten wird gesucht. Aus den Eigenschaften der Zerfallsprodukte rekonstruiert man die Eigenschaften des ursprünglichen Teilchens, z.b. dessen Masse. Die gemessenen Eigenschaften des neuen Teilchens werden mit den Vorhersagen des Standardmodells (oder anderer Theorien) verglichen: Ladungen, Winkelverteilung der Zerfallsprodukte, Häufigkeiten verschiedener Zerfallsprodukte etc. 109

110 Datenanalyse am CERN Auswahl interessanter Kollisionen (Trigger) Zusammenfassung von benötigten Messgrößen (z.b. Winkel zwischen zwei Teilchen, Masse eines zerfallenen Teilchens ) oft in Histogramm (wie oft tritt ein bestimmter Wert auf?) Abschätzung von Messunsicherheiten Vergleich mit theoretischen Vorhersagen und Simulationen das haben wir heute auch gemacht! 110

111 Datenanalyse am CERN Ist es so einfach, einen Nobelpreis zu bekommen? Was unterscheidet die Datenanalyse mit MINERVA vom tatsächlichen Vorgehen am CERN? Um z.b. das Higgs-Boson zu finden, sucht man nicht nur nach WW-Zerfällen, sondern nach verschiedensten Teilchenkombinationen. Forscher suchen nicht manuell nach Signalereignissen, sondern programmieren spezielle Software, um automatisch Signalereignisse nach bestimmten Kriterien herauszufiltern. 111

112 Wie zerfällt das Higgs-Boson? Wie häufig das Higgs-Boson in welche Teilchen zerfällt, ist von seiner Masse abhängig (Vorhersagen vom Standardmodell). Vergleich mit experimentellen Daten notwendig! m = 130 GeV m = 450 GeV Animation 112

113 Wie zerfällt das Higgs-Boson? Wie häufig das Higgs-Boson in welche Teilchen zerfällt, ist von seiner Masse abhängig (Vorhersagen vom Standardmodell). Vergleich mit experimentellen Daten notwendig! durch LEP ausgeschlossen durch ATLAS und CMS ausgeschlossen (95% CL) 113

114 Winkelverteilung von WW-Signalen Das Standardmodell sagt die folgende Winkelverteilung für WW-Signale voraus: (Winkel ΔΦ zwischen den beiden Leptonen, senkrecht zum Strahlrohr): WW-Paare aus Higgs-Zerfall (Simulation, m(higgs) = 125 GeV) Untergrund - Fehlmessungen - WW-Paare aus anderen Zerfällen Untergrund (WW-Paare entstanden direkt bei der Kollision, ohne Higgs) Higgs-Zerfälle sollten häufiger Winkel zwischen 0 und 90 ergeben als Untergrund- Ereignisse. Stimmen unsere Messergebnisse damit überein? 114

115 Higgs-Boson entdeckt? Ergebnisse der ATLAS Collaboration vom : Nachweis eines bisher unbekannten Teilchens: Masse: 126 GeV Elektrische Ladung: 0 Spin: 0 (bevorzugt) oder 2 Die bisherigen Messungen passen zu den Standardmodell-Vorhersagen für das Higgs-Boson. Weitere Messungen sind nötig! 115

116 Impressum Autoren: Manuela Kuhar, Fabian Kuger Kontakt: Bildnachweise: CERN: 5-12, 32,46,53,59 Sony Pictures Releasing GmbH: 6, 32 Netzwerk Teilchenwelt: 13, 16, 18-22, 26-31, 34, 43, 45, 73, 74, 78-81, 90, 94, 100 The Nobel Prize in Physics 2008 The Royal Swedish Academy of Sciences (Illustration: Typoform) :15 Wikipedia (Florian DO): 41 International Particle Physics Outreach Group, 42, 95, 106, 110, 113, 114 Wikipedia (Sundance Raphael): 43 LEIFI Physik, 43 ATLAS collaboration: 47-49, 58-69,82, 83, 86-89, 96, 101, 104, 105, 115 Jochen Stuhrmann / GEO / picture press: 51 NASA/ESA: 6, 52 Wikipedia (Jens Langner): 54 GSI: 55 Wikipedia (Anders): 56 Air Force Link: 56 ATLAS collaboration / Konrad Jende: 62, 71, 72 The Particle Zoo, , 84, 85 Fermilab: 112