Die Suche nach dem Ursprung der Masse Forschung am neuen Beschleuniger LHC in Genf

Transkript

1 Die Suche nach dem Ursprung der Masse Forschung am neuen Beschleuniger LHC in Genf Jun. Prof. A. Straessner TU Dresden FSP 101 ATLAS KSG Leipzig Juni 2009

2 Inhalt Einführung: Die Welt der kleinsten Teilchen Das Konzept der Masse in der Teilchenphysik Aktuelles zum Higgs-Boson Der Large Hadron Collider (LHC) und seine Experimente Suche nach Higgs-Bosonen und neuen Teilchen mit ATLAS und CMS Zusammenfassung 2

3 Untersuchung kleinster Strukturen Beispiel: Elektronenmikroskop Aufnahme mit Lichtmikroskop Wellenlänge λ~ m Erythrozyten Aufnahme mit Elektronenmikroskop Wellenlänge λ~ 10-8 m kurze Wellenlänge hohe Frequenz hohe Energie E=hv 3

4 Entdeckung des Atomkerns 1909 Elektronen e - Ernest Rutherfords Labor H. Geiger und E. Marsden Der Atomkern ist aufgebaut aus Protonen und Neutronen 4

5 Innere Struktur der Protonen Beschuss von Protonen mit Elektronen Auflösung <10-16 m Friedman, Kendall, Taylor 1969: punktförmige Objekte im Proton NP 1990 up und down Quarks 5

6 Die Welt der Elementarteilchen 3 Familien von Quark-Paaren 3 Familien von Leptonen und Neutrinos Elektron und seine schweren Partner 6

7 Kräfte und Wechselwirkungen Zu jeder Wechselwirkung zwischen Teilchen gehört eine Ladung Stärke der Kraft ist proportional zur Ladung Kraft wird übermittelt durch Austausch von Botenteilchen 7

8 Elektromagnetische Kraft Ladung: +n oder -n Botenteilchen: Photon 8

9 Schwache Kraft schwache Kraft trägt zu solaren Fusionsprozessen bei: schwache Ladung W ± und Z Bosonen sind die Botenteilchen der schwachen Kraft 9

10 Starke Kraft bindet Protonen und Neutronen im Atomkern bindet Quarks im Proton und Neutron Quarks tragen Farbladung : green anti-blue anti-red red blue anti-green Botenteilchen: farbige Gluonen 10

11 Das Standardmodell elektro-schwache Wechselwirkung NP 1979 starke Wechselwirkung Quanten-Chromo-Dynamik Glashow, Salam, Weinberg Gross, Politzer, Wilczek NP

12 Ein Problem der Theorie Woher bekommen die Teilchen ihre Masse? In der ursprünglichen elektroschwachen Theorie sind die Teilchen masselos Aber: z.b. das Elektron hat eine Masse ~ 1/2000 der Protonmasse W und Z Bosonen haben eine Masse ~ x Protonmasse Problem der Theorie: Bewahrung einer Symmetrie hier: Eichsymmetrie ganz wichtig zur Beschreibung der Wechselwirkungen aber mit Eichsymmtrie keine Massen Symmetrien sind erfolgreiche Konzepte bei theoretischen Modellen 12

13 Spontane Symmetriebrechung Erfinder im Bereich Teilchenphysik: Yoichiro Nambu NP 2008 Die Theorie ist symmetrisch masselose Teilchen Der Zustand niedrigster Energie ist nicht symmetrisch Teilchen mit Masse 13

14 Das Higgs-Boson Englert & Brout, Higgs und Kibble: Nambu s Modell elektroschwache Theorie V(Φ) nach Symmetriebrechung: Φ 2 v/ 2 Φ 1 massive W ± und Z Bosonen Anregung des Grundzustands: Das Higgs-Boson der letzte fehlende Baustein im Standardmodell das Higgs-Feld verleiht den Teilchen ihre Masse 14

15 Das Higgs-Feld anschaulich gemacht nach D. Miller University College 15

16 Teilchen bekommen Masse nach D. Miller University College 16

17 Das Higgs-Boson ist auch massiv nach D. Miller University College 17

18 aber Photonen sind masselos nach D. Miller University College 18

19 Massenskala: m Atom ~ A m Nukleon Sichtbare Masse im Alltag Starke Wechselwirkung (QCD) m Nukleon ~ 200 m Quark ~ 2000 m Elektron Dürr et al. Science 322 (2008) 1224 Nukleonen und Hadronen Bindungszustände von Quarks und Gluonen Masse durch starke Bindungsenergie Nukleonmasse Masse nicht vom Higgs-Feld 19

20 Die Suche nach dem Higgs-Boson 20

21 m [GeV] Die Strategie wichtige Eigenschaft: das Higgs koppelt an die Masse der Teilchen 1000 Elementary Particle Mass Spectrum GeV = 1 x Protonmasse 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 leptons up-quarks down-quarks neutrinos bosons 0, Generation am besten: top-quark m=173 GeV W-Boson m=80 GeV Z-Boson m=90 GeV das schwerste Elementarteilchen 21

22 Die Zeichensprache der Teilchenphysiker Reaktionsgleichungen wie in der Chemie: Zeit Exerimentiert wird nicht mit Chemikalien hochenergetische Teilchenstrahlen kollidieren in Beschleunigern: Elektronen und Positronen Large Electron Positron Collider am CERN Protonen mit Protonen Large Hadron Collider am CERN mc 2 = E = mc 2 e+ und e- Z und Higgs 22

23 Kollisionen bei hohen Energien und der Big Bang Geschichte der Physik Zurück zum Urknall 23

24 Nachweis von Teilchen Das Higgs-Boson zerfällt in andere Elementarteilchen Nachweis durch Messung der Reaktionsprodukte grosse Teilchendetektoren 24

25 Higgs-Suche bei LEP und am Fermilab Large Electron Positron collider am CERN in Genf einige Higgs-Kandidaten, aber kein ausreichendes Signal Fermilab Proton Anti-Proton Experimente in Chicago: CDF und D0 kein Signal wir wissen heute: Experiment: m H > GeV and m H GeV Theorie: Masse des Higgs Bosons muss kleiner sein als ~ 1000 GeV 25

26 Das Higgs ist wahrscheinlich leicht ausgeschlossen obere Grenze wahrscheinlichster Wert 1 GeV = 1 x Protonmasse 26

27 Der Large Hadron Collider LHCb ATLAS ALICE CMS p GeV p 2808 Teilchen-Pakete mit je Protonen pro Strahl alle s eine Strahl-Kreuzung Energie pro Strahl: 362 MJ Energie zum Schmelzen von 500 kg Kupfer Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 27

28 Beschleunigte Protonen tragen Energie p GeV = 2 x 7000 GeV p 28

29 Der Large Hadron Collider 1232 supraleitende Dipolmagnete (15 m, 35 t): gekühlt auf 1.9 Kelvin max. Magnetfeldstärke: 8.35 T 120 t supra-fluides Helium gespeicherte Energie: 11 GJ Stromverbrauch 120 MW Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 29

30 Vor etwa einem Jahr Info: LHC 4,7 Mrd CHF Experimente je 1,1 Mrd CHF 30

31 LHC-Reparatur nach September '08 Unfall während eines Strahltests bei 5 TeV: Dipol-Quadrupol-Verbindung wurde normalleitend Loch in die Vakuumisolation unkontrolliertes Heliumleck Resultat: Einbau eines Quadrupolmagneten nach Reparatur 53 Magnete wurden an die Oberfläche gebracht, repariert und wieder installiert neue Druck-Ventile, neue Methoden zur präzisen Widerstandsmessung (kalt, warm) aktuell: elektrische und mechanische Magnet-Verbindungen werden wieder hergestellt Abkühlen kann bald wieder beginnen Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 31

32 Status 23. Juni 2009 nochmaliges Aufwärmen für letzte Tests Ort der Tragödie Neustart: Oktober 2009 Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 32

33 Viele Besucher am CERN 33

34 Antimaterie? Ja, aber nicht so 34

35 Die LHC-Experimente ATLAS CMS Higgs und mehr LHCb ALICE Materie/Antimaterie-Asymmtrie Schwere Ionen Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 35

36 Der ATLAS-Detector Größe: 46m x 22m x 22m Gewicht: 7000 t η <3.0 η <4.9 4 Tesla 2 Tesla η <2.5 Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 36

37 Die internationale ATLAS Kollaboration 37

38 Das ATLAS Experiment beim Aufbau Toroid-Magnet - LAr-Kalorimeter - SCT Endkappe Pixel Detector TGC und MDT Myon-Spektrometer MDT=Monitored Drift Tubes TGC=Thin Gap Chambers SCT=Semiconductor Tracker 38

39 Das erste LHC-Strahlereignis in ATLAS September 2008 Proton-Strahl trifft auf Kollimator Teilchenschauer Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 39

40 Detektor-Kalibration mit kosmischen Myonen etwa 2 Millionen kosmische Myonen mit und ohne Magnetfeld 100 Myonen pro Sekunde pro Quadratmeter Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 40

41 Erste Sichtung des Higgs am LHC 41

42 Higgs-Produktion in pp-kollisionen nach HP Beck 42

43 H ZZ 4l Simuliertes Ereignis H ZZ e + e - μ + μ - mit m H =130 GeV Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 43

44 Wie sehen wir das Higgs? Grundlage: statistische Datenanalyse - hier simuliert zur Optimierung der Suche viele andere Zerfallskanäle tragen am Ende bei Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 44

45 Wo können wir das Higgs finden?? Entdeckungsgrenze Higgs-Masse später: Abdeckung des gesamten Massenbereichs von GeV bis 1000 GeV Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 45

46 Gibt es weitere Symmetrien? Supersymmetrie: Fermion Boson mehr Higgs-Bosonen (5) und ein Superpartner für jedes Teilchen löst einige fundamentale Theorie-Probleme mit dem Higgs-Boson des Standardmodells hat auch Konsequenzen in der Kosmologie 46

47 Stärke der 3 Wechselwirkungen Supersymmetrie: Vereinheitlichung bei hohen Energien SUSY 47

48 Kosmologie: Dunkle Materie Supersymmetrie: das leichteste SUSY-Teilchen zerfällt nicht = dunkle Materie? kosmische Hintergrundstrahlung Gravitationslinsen nicht leuchtende, unbekannte, schwere Materiebausteine 48

49 Suche nach Supersymmetrischen Teilchen X q p g p ql 0 2 R 0 1 leichtestes SUSY-Teilchen entkommt fehlende Energie im Detektor q q Teilchenphysik und Kosmologie sind eng verbunden 49

50 Zusammenfassung Der LHC started bald die Experimente sind bereit Finden wir den Ursprung der Masse? Entdecken wir Dunkle Materie? Spannende Zeiten brechen an für die Teilchenphysik 50

51 Beliebtheits-Skala der Elementarteilchen "antimatter doesn t sell particularly well. The Higgs is the real top-seller and second place is dark matter. The charm quarks are very popular at Valentine s day because they are pink and have a rose." Julie Peasley, CERN Bulletin, June 2009 Die Suche nach dem Urspung der Masse am LHC - 51

52 Backup 52