Liebe Vermittlerinnen und Vermittler,

Transkript

1 Liebe Vermittlerinnen und Vermittler, diese Vorlage für einen Masterclass-Einführungsvortrag wurde im Team des Netzwerks abgestimmt, wobei viele Ideen aus Workshops mit Vermittler/innen 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/innen 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 Notizen zu den Folien, die in der Normalansicht unten rechts oder in der Notizenansicht sichtbar sind. Sie enthalten Anregungen für Aktivitäten, didaktische und fachliche Hinweise sowie nützliche Links. Die Anregungen für Aktivitäten sind in einem separaten Dokument zusammengefasst, welches Sie unter folgendem Link finden: ik/masterclass_gestaltung.pdf 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

2 Inhalt: Teil 1 Das CERN und der LHC 5-14 Materie- und Anti-Materieteilchen 16, Aktivitäten: Größenordnungen, Elementarteilchen-Steckbriefe Elektronenvolt 26 Aktivität: Energien sortieren 27, 28 Wechselwirkungen, Ladungen, Standardmodell Aktivität: Wechselwirkungen 31 Higgs-Teilchen 35 Aktivität: Anti-Materie 36 Dunkle Materie 37 Feynman-Diagramme Teilchenbeschleuniger: Funktionsweise, Einsatzgebiete Teilchenkollisionen Zählexperimente, Datenmengen 52, 53 Kosmologie, Anwendungen der Teilchenphysik 55-60

3 Inhalt: Teil 2 Detektoren allgemein, ATLAS-Detektor (Übersicht) Teilchenrekonstruktion, Event-Display 69, 70 Teilchenspuren Aktivität: Teilchenspuren 74 Darstellung von Teilchenspuren W-Teilchen: Eigenschaften 79, 80 W-Teilchen: Entstehung 81, 82 W-Teilchen: Zerfälle, Signalereignisse Aktivität: Zerfälle von W-Teilchen 84 Minerva: Die Grundlagen 87, 88, Signalereignis 1: W-Zerfälle Higgs-Teilchen: Zerfälle 96, 97 Signalereignis 2: WW- Zerfälle 98, 99 Winkelmessung 100, 101 Aufgabenstellung 102 3

4 Inhalt: Auswertung Grundlagen: Was habt ihr warum gemacht? 105, 106 Kriterien für W-Signalereignisse (PT, MET) 107, 108 Das / -Verhältnis 109, 110 Datenmengen 111 Forschungsmethoden Higgs-Teilchen: Zerfälle, Winkelverteilung, aktueller Stand

5 Teil 1: Die Welt der kleinsten Teilchen

6 Die Welt der kleinsten Teilchen - Einführungsfilm 6

7 7

8 Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) Das größte Teilchenphysik-Forschungszentrum der Welt im Grenzgebiet zwischen der Schweiz und Frankreich 8

9 Gelände und Beschleuniger ~8 km CERN Hauptgelände CERN- Prevessin SPS Beschleuniger Frankreich Schweiz LHC Beschleuniger (etwa 100m unter der Erde) 9

10 Der LHC (Large Hadron Collider) Ein 27 km langer, ringförmiger Teilchenbeschleuniger 4 Teilchen-Detektoren: ATLAS, ALICE, CMS und LHC-b 10

11 Gelände und Beschleuniger 5 7 TeV LHC Die CERN Teilchen-Beschleuniger: mehr als 50 km Tunnel unter der Erde GeV 4 SPS 26 GeV 3 PS 1.4 GeV 2 BOOSTER 50 MeV 1 LINAC PROTONS Start 11

12 Was geschieht am LHC? Protonen kreisen in entgegengesetzten Richtungen mit einer Energie von je 6.5 Tera-Elektronenvolt (TeV) Wenn die Protonen zusammenstoßen, entstehen neue Teilchen, die man in Detektoren nachweist 12

13 Der LHC ist Eine der schnellsten Rennstrecken der Welt Bis zu 5 Billiarden Protonen gleichzeitig 99,999997% der Lichtgeschwindigkeit 27 km langer Tunnel über Runden pro Sekunde! 13

14 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 14

15 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 Kühlschrank der Welt! 15

16 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. 16

17 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 :

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

19 Noch mehr Elementarteilchen? 19

20 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 Anti-Materie, was haben sie gemeinsam? 20

21 Quarks Quarks besitzen eine elektrische Ladung von oder. Quarks besitzen 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 Anti-Quarks. 21

22 Leptonen Drei Leptonen sind negativ elektrisch geladen: Das Elektron und seine massereichen, instabilen Verwandten, das Myon und das Tauon. Drei Leptonen besitzen keine elektrische Ladung. Sie heißen Neutrinos und sind sehr leicht. 22

23 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). 23

24 C23 C29 Anti-Materieteilchen Zu jeder Materieteilchensorte gibt es eine Anti-Teilchensorte mit gleicher Masse und entgegengesetzten Ladungen. 24

25 Folie 24 C23 C29 Kommentar unten löschen oder wird das mal in aktueller Form online gestellt? Carolin; wurde jetzt überarbeitet, ist jeodch unklar, was mit diesen Materialien weiter geschieht bitte Notiz entsprechend anpassen Carolin;

26 Anti-Materie Trifft ein Materieteilchen auf sein Anti-Teilchen, so vernichten sie sich, d.h. aus der vorhandenen Energie entstehen Photonen (oder andere Austauschteilchen): Umgekehrt kann aus Austauschteilchen ein Teilchen- Anti-Teilchen-Paar entstehen: 25

27 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 = 109 ev 1 TeV = 1012 ev Beispiele: 6,5 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) 26

28 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 27

29 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 : Joule Energie in ev 28

30 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: 29

31 Wechselwirkungen Starke Wechselwirkung Anziehung zwischen Quarks, Zusammenhalt von Atomkernen Elektromagnetische Wechselwirkung Elektromagnetische Wellen, Zusammenhalt von Atomen, Chemie, Magnetismus Schwache Wechselwirkung Betaumwandlung, 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 30

32 Wechselwirkungen Welche Wechselwirkung spielt die Hauptrolle? Jemand telefoniert mit dem Handy Ein Atomkern wandelt sich durch einen 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 31

33 Wechselwirkungen und Austauschteilchen Das Photon vermittelt die Elektromagnetische Wechselwirkung. Die massereichen W- und Z-Teilchen vermitteln die Schwache Wechselwirkung. Acht Gluonen vermitteln die Starke Wechselwirkung. 32

34 Ladungen und Wechselwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung. Nur Teilchen mit der entsprechenden Ladung spüren die Wechselwirkung: Schwache WW Schwache Ladung (alle Materieteilchen, W-Teilchen) Elektromagnetische WW Elektrische Ladung (Quarks, 3 Leptonen, W- Teilchen) Starke WW Starke Ladung (Quarks, Gluonen) 33

35 Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen ist durch viele Experimente bestätigt doch es gibt noch viele offene Fragen! Gibt es noch mehr Elementarteilchen? Wieso gibt es so viel mehr Materie als Anti-Materie? Warum gibt es 3 Generationen? Was ist Dunkle Materie? 34

36 Das Higgs-Teilchen Aus der Theorie bisher 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? Wir wissen jetzt: Teilchen wechselwirken mit dem Higgs-Feld und erhalten so Masse. Schwingungen des Higgs-Feldes wurden als neues Elementarteilchen in den 60er Jahren vorhergesagt und 2012 experimentell nachgewiesen: Das Higgs-Teilchen. 35

37 Illuminati: Fakt oder Fiktion? eine extrem brennbare Substanz genannt Anti-Materie weil Anti-Materie noch nie zuvor in signifikanten Mengen generiert wurde. Ein Weg, den Ursprung des Universums zu studieren ist, das zu isolieren was von manchen das Gott-Partikel genannt wird Es ist das, was aller Materie Masse verleiht, ohne das wir nicht existieren könnten. Aber es gibt auch Auswirkungen auf die Energieforschung Die Anti-Materie schwebt frei im Vakuum mit Elektromagneten aber wenn sie ihren Schwebezustand verliert und mit Materie in Kontakt kommt kommt es zur gewaltigen Annihilation (Vernichtung) sie wäre apokalyptisch, eine grelle Explosion mit der Kraft von 5 Kilotonnen (TNT) 36

38 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% 37

39 Feynman-Diagramme veranschaulichen Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen. Jedes Teilchen wird durch eine Linienart dargestellt: Materieteilchen Anti-Materieteilchen W- oder Z-Teilchen, Photon Gluon 38

40 Feynman-Diagramme setzen sich aus vier Bausteinen zusammen: Abstrahlung Einfang Paarvernichtung Paarbildung Raum Achtung: Anti-Teilchen bewegen sich nicht rückwärts in der Zeit, sondern vorwärts wie alle anderen Teilchen auch. Zeit 39

41 Feynman-Diagramme zeigen: welche Teilchen vor der Wechselwirkung vorhanden sind wie sie wechselwirken welche Teilchen danach vorhanden sind Ein Teilchen und ein Anti-Teilchen treffen aufeinander Sie vernichten sich in ein Austauschteilchen, z.b. ein Photon Aus dem Austauschteilchen entstehen ein Teilchen und ein Anti-Teilchen Raum Zeit 40

42 Feynman-Diagramme Noch ein Beispiel die Beta-Umwandlung: Ein Down-Quark wandelt sich in ein Up-Quark um Dabei sendet es ein W-Teilchen aus Dieses wandelt sich in ein Elektron und ein Anti-Elektron-Neutrino um W - ν e e - d du u du Neutron Animation Proton 41

43 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 42

44 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. C11 C27 C30 43

45 Folie 43 C11 C27 C30 angegebener Link konnte nicht geprüft werden, da ich nicht genügend Zugangsrechte besitze Carolin; auch wenn ich als Nutzer angemeldet bin. Gibt es diese Animation noch an einer anderen Stelle? Carolin; ich habe Anne F. gefragt: leider ist kann man den Link nicht nachverfolgen Carolin;

46 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) 44

47 Magnetfelder und geladene Teilchen Ein Magnetfeld lenkt elektrisch geladene Teilchen senkrecht zu ihrer Flugbahn ab (Lorentzkraft): Elektron Positron x: Das Magnetfeld zeigt vom Betrachter weg Kleiner Impuls Großer Impuls Die Richtung und Stärke der Bahnkrümmung hängen von der elektrischen Ladung und vom Impuls (also von Masse und Geschwindigkeit) des Teilchens ab. 45

48 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 46

49 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 elektr. Energie) Teilchenkollisionen! (Bewegungsenergie Masse) 47

50 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! 48

51 Teilchenkollisionen im LHC 2 gegenläufige Protonenstrahlen mit je 1400 Teilchenpaketen 100 Milliarden Protonen pro Paket 20 Millionen Paket-Kreuzungen pro Sekunde mit je etwa 30 Proton-Proton- Kollisionen ca. 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde! Teilchenpakete Protonen Quarks, Gluonen 49

52 Teilchenkollisionen im LHC Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 346 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser 50

53 Teilchenkollisionen im LHC 600 Mio. Kollisionen pro Sekunde! Warum? Interessante Teilchen entstehen sehr selten: ca. 1x pro 1010 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 51

54 Warum so viele Kollisionen? Ist der Würfel manipuliert oder nicht? Daten Erwartung ±1σ ±2σ Existiert das Higgs-Teilchen oder nicht? 52

55 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 Prozessoren in 42 Ländern (LHC-Grid) Etwa 25 Millionen Gigabyte (25 Petabyte) pro Jahr! 53

56 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. 54

57 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 55

58 Die Geschichte des Universums Was wäre, wenn Elementarteilchen andere Massen hätten? 56

59 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 57

60 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 58

61 Tumortherapie mit Hadronen Vorteil gegenüber Be-strahlung 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 59

62 Grundlagenforschung - als Motor für Innovation Relativitätstheorie Elektromagnetismus 60

63 61 P A U S E

64 Teil 2: Analyse von Teilchenspuren im ATLAS-Detektor

65 Folie 62 C14 C28 C24 C25 C26 oberer Link funktioneirt nicht welches Video soll hier rein? Carolin; also auf der nächsten Seite verlinkt werden? Carolin; allgemein alle Videos zu finden unter: Carolin; Vorschlag wäre z.b: Carolin; oder: Carolin;

66 Analyse von Teilchenspuren im ATLAS- Detektor - Einführungsfilm 63

67 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 64

68 Der ATLAS-Detektor 22 m 45 m 65

69 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? 66

70 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 67 Magnetfeld

71 Was misst ATLAS? Spurdetektoren: Spur Kalorimeter: Impuls und Vorzeichen der elektrischen Ladung Energie Besonders wichtig sind die transversalen Anteile von Impuls und Energie (senkrecht zum Strahlrohr): PT: transversaler Impuls ET: transversale Energie 68

72 Teilchenrekonstruktion Impulsmessung Energiemessung Ladungsbestimmung Grafische Darstellung der Teilchenspuren und Energieeinträge in einem Event-Display 69

73 Das Event-Display So stellt die Software MINERVA den ATLAS-Detektor dar: Querschnitt des ATLAS-Detektors Energieeinträge im Kalorimeter Seitenansicht 70

74 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 71

75 Teilchenspuren: Myon oder Anti-Myon Spur im inneren Detektor und in den Myonenkammern Wenig Energieabgabe in Kalorimetern Spuren in den Myonenkammern sind teils schwierig erkennbar Beide Ansichten nutzen! 72

76 Teilchenspuren: Quarks Quarks erzeugen Bündel aus Hadronen (z.b. Pionen, Protonen, Neutronen): Jets Nachweis: Spurbündel Energieabgabe in beiden Kalorimetern 73

77 Teilchenspuren: 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. 74

78 Übung Findet euch in Gruppen zusammen: Geladene Leptonen Quarks Neutrinos Austauschteilchen Wie wechselwirken eure Teilchen im ATLAS-Detektor? 75

79 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 76

80 Teilchenspuren im ATLAS-Detektor Animation 77

81 Teilchenspuren im ATLAS-Detektor 78

82 Die Hauptdarsteller heute: W-Teilchen Mit ihrer Hilfe werden wir den Aufbau von Protonen erforschen und erfahren, wie Physiker/innen nach dem Higgs-Teilchen suchen. 79

83 W-Teilchen 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! 80

84 Wie entstehen W-Teilchen? Bei der Beta-Minus-Umwandlung wandelt sich ein Down- Quark in ein Up-Quark um und sendet ein W - aus (umgekehrt bei der Beta-Plus-Umwandlung) e - e + W - ν e W + ν e d d u β - -Umwandlung: d W - + u u d u u u d β + -Umwandlung: u W + + d d ud Zusammenstoß von Protonen im LHC 81

85 Wie entstehen W-Teilchen? Beta-Umwandlung 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 und im LHC entstehen? 82

86 Wie zerfallen W-Teilchen? 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 Bei allen Zerfällen gelten Impuls-, Energieund Ladungserhaltung (Ladung des Teilchens vor dem Zerfall = Summe der Ladungen danach) In welche Teilchenkombinationen kann sich ein umwandeln? W - 83

87 Wie zerfallen W-Teilchen? Wie kann sich ein W -Teilchen in folgende Teilchen umwandeln? Positron und Elektron Myon und Anti-Neutrino Zwei Positronen Strange-Quark und Charm-Anti-Quark W - Findet weitere mögliche Teilchenkombinationen! (Ladungserhaltung ) 84

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

89 Wie erkennt man W-Teilchen? 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. 86

90 Die Software MINERVA Werkzeuge, Navigation Einstellungen Anzeige der Teilchenspuren Informationen zu Teilchenspuren 87

91 Die Software MINERVA Datenpaket öffnen Datenpaket durchblättern Zoom Spur- Auswahl Fischaugen- Zoom 88

92 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 nach der Zerfall! Die Zerfallsprodukte besitzen weniger Masse als W-Teilchen, also ist ihre Bewegungsenergie bzw. ihr Impuls (PT) sehr hoch. Die optimalen Grenzen für die Suche nach W-Teilchen wurden durch Simulationen bestimmt. 89

93 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 Anti-Teilchen) das von Jets isoliert ist mit PT > 20 GeV 90

94 Signalereignis 1: So erkennst du W-Zerfälle Das Ereignis enthält ein energiereiches Neutrino: Missing ET > 20 GeV Fehlende transversale Energie Missing ET Darstellung als rot gestrichelte Linie (nur im Querschnitt) 91

95 Signalereignis 1: So erkennst du W-Zerfälle Es enthält genau ein elektrisch geladenes Lepton das von Jets isoliert ist (< 0.2) mit PT> 20 GeV 92

96 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 93

97 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. 94

98 Signalereignis 1: So erkennst du W-Zerfälle 95

99 Entdecke das Higgs-Teilchen! Das Higgs-Teilchen 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 usw. 2e + +2e - 2µ + +2µ - 2τ + +2τ - e + +e - +µ + +µ - e + +e - +τ + +τ - usw. 96

100 Entdecke das Higgs-Teilchen! Das Higgs-Teilchen 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 usw. 2e + +2e - 2µ + +2µ - 2τ + +2τ - e + +e - +µ + +µ - e + +e - +τ + +τ - usw. 97

101 Signalereignis 2: So erkennst du WW-Zerfälle Checkliste: Im Ereignis fehlt viel Energie bei gleichartigen Leptonen: Missing ET > 40 GeV bei nicht gleichartigen Leptonen: Missing ET > 20 GeV Das Ereignis enthält genau zwei entgegengesetzt elektrisch geladene Leptonen (e, e, μ, μ ) die von Jets isoliert sind (Isolation < 0.2) eines trägt PT > 10 GeV, das andere PT > 20 GeV 98

102 Signalereignis 2: So erkennst du WW-Zerfälle 99

103 Higgs-Teilchen oder Untergrund? Zwei W-Teilchen können von einem Higgs-Teilchen stammen: aber sie können auch anders entstanden sein (Untergrund), z.b. so: Wie können wir Higgs-Teilchen von Untergrund unterscheiden? 100

104 Higgs-Teilchen oder Untergrund? Um zwischen Higgs-Zerfällen und Untergrund zu unterscheiden, misst man den Winkel Φ zwischen den beiden Leptonen (senkrecht zum Strahlrohr). Winkelmessung: Spurauswahl-Werkzeug anklicken P-Taste gedrückt halten, beide Spuren markieren Der Winkel Φ wird in der Infobox angezeigt 101

105 Jetzt seid ihr dran! International Masterclass: MINERVA (Version 2015) 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. 102

106 103

107 Teil 3: Auswertung

108 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-Anti-Quark-Paare entstehen bei vielen Arten von Ereignissen, nicht nur beim Zerfall von W-Teilchen es wäre schwierig, dazwischen zu unterscheiden. 105

109 Was habt ihr warum gemacht? Wie kamen die Kriterien für die Signalereignisse (W- und WW-Zerfälle) zustande? Die Ladungen von W-Teilchen sind bekannt. Ladungen vorher = Summe der Ladungen nachher! Daraus kann man auf die Teilchenkombinationen schließen, in die W- Teilchen zerfallen können. Bei Higgs-Teilchen ist es ganz ähnlich. Wie kamen die Grenzen für PT und Missing ET zustande? Higgs- und W-Teilchen 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. 106

110 Kriterien für die Suche nach W-Teilchen 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-Teilchen! Der Rest stammt von anderen Prozessen. Ereignisse mit PT < 20 GeV kann man vernachlässigen, weil sie nur wenige W-Teilchen enthalten. Auf ähnliche Weise lassen sich PT- und MET-Grenzen für die Suche nach Higgs-Teilchen und anderen Teilchen festlegen. 107

111 Kriterien für die Suche nach W-Teilchen 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-Teilchen (Simulation) Ereignisse mit wenig fehlender Energie (< 25 GeV) kann man weglassen, weil sie nur wenige W-Teilchen enthalten. 108

112 Das W /W -Verhältnis Welches Verhältnis von W und W -Teilchen hattet ihr erwartet? Was könnte ein Grund für ein abweichendes Ergebnis sein? Bei Protonen-Kollisionen können W-Teilchen bei Quark-Gluon- Wechselwirkungen entstehen. Hierbei entstehen doppelt so viele W wie W. Doch W-Teilchen entstehen auch bei Gluon-Gluon- Wechselwirkungen: Bei diesen Prozessen entstehen W+ und W- gleich oft. Dadurch wird das Verhältnis verzerrt. 109

113 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 110

114 Datenmengen Warum ist es in der Teilchenphysik nötig, so viele Daten zu sammeln? Higgs-Teilchen (bzw. generell exotische Teilchen) werden selten erzeugt: etwa einmal pro 1010 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- Teilchen 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. 111

115 Die Suche nach exotischen Teilchen Wie suchen Forscher/innen nach exotischen Teilchen (wie z.b. dem Higgs-Teilchen)? Aus dem Standardmodell lässt sich theoretisch vorhersagen, in welche Teilchenkombinationen das Higgs-Teilchen 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. 112

116 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! 113

117 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-Teilchen zu finden, sucht man nicht nur nach WW- Zerfällen, sondern nach verschiedensten Teilchenkombinationen. Forscher/innen suchen nicht manuell nach Signalereignissen, sondern programmieren spezielle Software, um automatisch Signalereignisse nach bestimmten Kriterien herauszufiltern. 114

118 Wie zerfällt das Higgs-Teilchen? Wie häufig das Higgs-Teilchen in welche Teilchen zerfällt, ist von seiner Masse abhängig (Vorhersagen vom Standardmodell). Vergleich mit experimentellen Daten notwendig! m = 130 GeV m = 450 GeV Animation 115

119 Wie zerfällt das Higgs-Teilchen? Wie häufig das Higgs-Teilchen 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) 116

120 Winkelverteilung von WW-Signalen Das Standardmodell sagt die folgende Winkelverteilung für WW- Signale voraus: (Winkel Φ 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? 117

121 Higgs-Teilchen entdeckt? Ergebnisse der ATLAS Collaboration vom : Nachweis eines bisher unbekannten Teilchens: Masse: 126 GeV Elektrische Ladungszahl: 0 Spin: 0 (bevorzugt) oder 2 Die bisherigen Messungen passen zu den Standardmodell-Vorhersagen für das Higgs-Teilchen. Weitere Messungen sind nötig! 118

122 PROJEKTLEITUNG Impressum Autoren: Manuela Kuhar, Fabian Kuger Kontakt: Bildnachweise: CERN: 5-13, 33,47,54,60 Sony Pictures Releasing GmbH: 7, 33 Netzwerk Teilchenwelt: 14, 17, 19-23, 27-32, 35, 44, 46, 75, 76, 79-83, 92, 96, 102 The Nobel Prize in Physics 2008 The Royal Swedish Academy of Sciences (Illustration: Typoform) :16 Wikipedia (Florian DO): 42 International Particle Physics Outreach Group, 43, 97, 108, 112, 115, 116 Wikipedia (Sundance Raphael): 44 LEIFI Physik, 44 ATLAS collaboration: 48-50, 59-71,84, 85, 88-91, 98, 103, 106, 107, 117 Jochen Stuhrmann / GEO / picture press: 52 NASA/ESA: 7, 53 Wikipedia (Jens Langner): 55 GSI: 56 Wikipedia (Anders): 57 Air Force Link: 57 ATLAS collaboration / Konrad Jende: 64, 73, 74 The Particle Zoo, , 86, 87 Fermilab: 114 PARTNER SCHIRMHERRSCHAFT FÖRDERER