Ein neues Teilchen am LHC Ist es ein Higgs-Boson?

Transkript

1 Ein neues Teilchen am LHC Ist es ein Higgs-Boson? Klaus Desch Physikalisches Institut der Universität Bonn Kontaktstudium 7. November 2012

2 1. Kontext: elementare Bausteine und Kräfte 2. Symmetrie als Konstruktionsprinzip 3. Gebrochene Symmetrie: Higgs als Rettung 4. Eigenschaften des Higgs-Teilchens 5. Experimente am LHC 6. Ergebnisse des It s only the beginning

3 1. Kontext: Elementare Bausteine und Kräfte

4 Ordnung auf jeder Längenskala B

5 Bausteine der Materie (heute) Punktförmig (überprüft bis m) Alle experimentell nachgewiesen! Unterschiede: Massen + Kräfte, die auf die Bausteine wirken + Antiteilchen

6 Die Massen der Materie-Bausteine

7 Elementare Kräfte Beschreibung von Kräften durch Botenteilchen elektrische und magnetische Kräfte werden durch Austausch von Photonen übermittelt R. Feynman elektromagnetische Kraft ist nicht die Einzige

8 Elementare Kräfte geladene Teilchen nur Quarks vereinheitlicht: elektro-schwache Kraft M = 0 M = 0 alle Teilchen alle Teilchen? M = 80/91 GeV! M = 0 Austauschteilchen: Bosonen Nur die Bosonen der schwachen WW haben (viel!) Masse!

9 2. Symmetrie als Konstruktions- prinzip

10 Theoretische Beschreibung der Kräfte zwischen elementaren Teilchen: das Standard-Modell Frage: woher kennen wir die Kraftgesetze in der Makrophysik? Newton-Gesetz: F grav = k * m 1 * m 2 / r 2 Coulomb-Gesetz: F el = k * q 1 * q 2 / r 2... nachmessen (Probeladung, Probemasse, Abstand variieren...) Kraftgesetz der schwachen und starken Kraft??? - Reichweite der Kräfte < m - Kleine Abstände: Quantenmechanik nötig - Große Geschwindigkeiten: (spez.) Relativitätstheorie nötig - Erzeugung + Vernichtung von Quanten: Quantenfeldtheorie à Relativistische Quantenfeldtheorie

11 Eichfreiheit

12 Eichfreiheit

13 Eichfreiheit

14 3. Higgs-Mechanismus als Rettung

15 Problem von Eichtheorien mit massiven Teilchen war früh erkannt Rettungvorschlag 1964 Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout und...

16 Peter Higgs

17 Das Rätsel der Masse Ist Masse keine Eigenschaft der Teilchen, sondern nur das Ergebnis einer permanenten Kraft??? Wenn diese Higgs-Kraft selbst dem Eichprinzip gehorcht, lässt sich das Eichprinzip retten! Jedes masselose Teilchen bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit MassiveTeilchen bewegen sich langsamer

18 Der Higgs-Mechanismus Einzige Zutat: ein neues Feld (= eine Kraft) mit besonderen Eigenschaften

19 Der Higgs-Mechanismus Das Higgs-Feld - muss auch im leeren Raum eine Feldstärke besitzen - muss mit allen Teilchen bei denen wir die Eigenschaft Masse beobachten in Wechselwirkung treten - umso stärker, je größer ihre Masse - muss dem Eichprinzip (der elektro-schwachen Kraft) gehorchen Diese Bedingungen definieren das Higgs-Feld recht genau (aber bei weitem nicht eindeutig!) Wichtigste Konsequenz: es muss ein zum Higgs-Feld gehöriges Teilchen geben, das Higgs-Boson (oder mehrere )

20 4. Eigenschaften des Higgs-Teilchens

21 Eigenschaften des Higgs-Teilchens - Higgs-Feld hat keine Richtung à Spin 0 (Kraftfelder haben Spin 1, Materie Spin ½ ) - Higgs-Boson selbst hat Masse aber nicht vorhergesagt welche (vor LHC: 115 GeV < m < 1000 GeV aber GeV bevorzugt) - Da das Higgs-Boson mit praktisch allen bekannten Teilchen wechselwirkt zerfällt es auch schnell wieder

22 Wie kann man ein Higgs-Teilchen erzeugen? H p p

23 Wie kann man ein Higgs-Teilchen erzeugen? z.b. g q H H g q

24 Nachweis von Higgs-Teilchen H über den Nachweis der Zerfallsteilchen

25 Viele Zerfallsmöglichkeiten Nicht alle Zerfallsmöglichkeiten können am LHC nachgewiesen werden. Wichtigste Zerfälle (am LHC): Hà γγ und Hà ZZà μμμμ

26 5. Der LHC und die Experimente ATLAS + CMS

27 Der Large Hadron Collider LHC Proton-Energie 2x4 Teraelektronvolt (TeV) etwa 1/10000 des Protonradius auflösen neue Elementarteilchen produzieren die etwa 20x schwerer sind, als das schwerste bekannte Teilchen (top-quark) LHCb ATLAS CMS CERN: Europäisches Zentrum für Teilchenphysik 2500 Beschäftigte + >8000 Nutzer (aus der ganzen Welt) gegründet 1956 ALICE

28 Eine technologische Herausforderung: Der z.b Large supraleitende Hadron Magnete Collider (15m, LHC 1.8 K, 8T (=9000 Ampere) )

29 Das ATLAS-Experiment: die Kollisionen sichtbar machen Länge: 44m Durchmesser: 22m Gewicht: 7000t

30 Das ATLAS-Experiment (als LEGO Bausatz, 8000 Teile)

31

32 Das ATLAS-Experiment: Teamwork!

33 ATLAS and der Uni Bonn aus 17 Ländern 4 Profs ~20 promovierte Wissenschaftler ~50 Doktoranden 9

34 Teilchennachweis Spur- Detektor elektrom. Kalorimeter Hadron- Kalorimeter Myon- Detektor geladene Hadronen neutrale Hadronen

35 Ein Ereignis (Kandidat für Hà γγ)

36 Ist dies wirklich ein Hà γγ Ereignis? Kann anhand eines Ereignisses nicht entschieden werden! Andere Möglichkeiten ( Untergrund ): 1. Es ist wirklich ein γγ Ereignis, stammt aber nicht aus aus einem Higgs-Zerfall sondern aus einem anderen (uninteressanten) Prozess, z.b. q + anti-q à γγ 2. Mindestens eines der beiden Photon-Kandidaten ist gar kein Photon sondern wurde nur fälschlich als solches identifiziert ( fake ) à Nachweis eines neues Teilchens (Higgs?) kann nur statistisch erfolgen ( mehr Ereignisse als vom Untergrund erwartet )

37 Beispiel für Untergrund Nur ein Beispiel (von vielen!):

38 Den Untergrund reduzieren Aus den gemessenen Richtungen und Energien (Impulsen) der beiden Photonen lässt sich die (invariante) Masse des Mutterteilchens berechnen

39 Den Untergrund reduzieren Alle Higgs -Ereignisse sollten bei der gleichen invarianten Masse liegen der Untergrund ist (meistens) breit verteilt bump hunt

40 Ein Ereignis (Kandidat für Hà ZZà μμμμ)

41 6. Ergebnisse des 4. Juli 2012

42 ATLAS - γγ

43 CMS - γγ

44 ATLAS ZZ à 4 Leptonen

45 CMS ZZ à 4 Leptonen

46 Ja oder nein? Ist das statistisch signifikant?

47 Ist es das (oder ein) Higgs-Boson? Duck test: If it looks like a duck, swims like a duck, and quacks like a duck, then it probably is a duck. Was wir wissen: - Es ist ein neues Teilchen - Alle bisher bekannten Eigenschaften sind >konsistent< mit denen eines Higgs-Bosons Was wir noch nicht wissen (Auswahl): - Hat es Spin 0 (wir wissen, dass es nicht ½, 1, 3/2 sind) - Wechselwirkt es auch mit Materieteilchen? (bisher nur Zerfälle in Z, Photon gesehen) - Haben die Wechselwirkungsstärken die richtige Größe? - Wechselwirkt das Higgs mit sich selbst (wichtigster Test!) - Verhält es sich wie das SM-Higgs, gibt es mehrere, ist es elementar oder zusammengesetzt,...???

48 It is only the beginning Untersuchung des neuen Teilchens steht erst ganz am Anfang! Forschungsprogramm am LHC bis Higgs als Schlüssel zu Physik jenseits des Standard-Modells Verbindungen zu - Dunkler Materie? - Supersymmetrie große vereinheitlichte Theorie? - Extra Raumdimensionen? - Dunkle Energie?? Präzise Untersuchungen des neuen Teilchens haben bereits Pläne für einen neuen Beschleuniger International Linear Collider neu belebt wird vielleicht in Japan gebaut?^

49 Gigantisches Medienecho Grundlagenforschung in aller Munde

50 Teilchenphysik für Schüler und an Schulen

51 Nächste Woche: Masterclass für Lehrer (Dr. Barbara Valeriani-Kaminski) Noch Plätze frei...