Experimentalphysik VI Kern- und Teilchenphysik Prof. Markus Schumacher ALU Freiburg, Sommersemsester 2010

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1 Experimentalphysik VI Kern- und Teilchenphysik Prof. Markus Schumacher ALU Freiburg, Sommersemsester 2010 Kapitel 11: Einige offene Fragen

2 Obtaining PDF from Histograms Offene Fragen 23 Parameter im SM: ist eine weitere Reduktion möglich? 3 Kopplungstärken 1 Eichbosonmasse 12 Fermionmassen 3 Mischungswinkel und eine Phase im Quarksektor 3 Mischungswinkel und eine Phase im Neutrinosektor 1 CP-Verletzende Phase in der QCD Warum drei Fermiongenerationen? Warum ist die Ladung des Protons gleich der des Elektrons? Gibt es weitere Substruktur? Sind Quarks und Leptonen elementar? Was erzeugt Masse? Warum diese Massenhierarchie? Was ist die Natur der dunklen Materie? Was ist die Natur der dunklen Energie? Gibt es ein Urkraft? Was ist die Struktur der Raumzeit? M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 11: Offene Fragen Freiburg SoSe 2010

3 Energiehaushalt im Universum 100% 80% 60% Unbekannte Form von dunkler Energie 40% 20% Unbekannte Form vondunkler Materie 0% Neutrinos Protonen/Neutronen in Sternen, Staub etc. 3

4 Vielfältige Evidenz für Dunkle Materie im Universum F. Zwicky Rotationsgeschwindigkeiten äußerer Sterne in Galaxien Galaxienhaufen Gravitationslinseneffekte M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 4 11: Offene Fragen Freiburg SoSe 2010

5 Beispiel: Rotationskurven des in Galaxien M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 5 11: Offene Fragen Freiburg SoSe 2010

6 Das Massenproblem im Standardmodell Kräfte beschrieben durch Eichsymmetrien Eichgruppe des SM verbietet Massen für -Eichbosonen: W und Z -Fermionen: (l=dublett, r=singlett) Experiment: alle Teilchen massiv bis auf Gluon und Photon ad hoc Massenterme zerstören: - Renormierbarkeit keine Präzisionsvorhersage - Wahrscheinlichkeitsinterpretation von Wirkungsquerschnitten z.b. W L W L -Streuung M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 11: Offene Fragen Freiburg SoSe 2010

7 Prinzip der Higgs-Mechnanismus Massenerzeugung Leeres Vakuum Alle Teilchen sind masselos und bewegen sich mit derselben Geschwindigkeit, der Lichtgechwindigkeit. Higgs-Hintergrundfeld Teilchen wechselwirken mit dem Higgs-Hintergrundfeld und werden dadurch verlangsamt. Sie erhalten effektiv eine Masse. Die Masse hängt von der Stärke der Wechselwirkung mit dem Hintergrundfeld ab. Der Preis: das Higgs-Teilchen Eine quantenmechanische Anregung des Higgsfeldes Eine notwendige Konsequenz dieses Konzepts! M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 11: Offene Fragen Freiburg SoSe 2010

8 Kenntnis Grenzen über auf die Masse des Higgsteilchens Higgs-Teilchens Rettung der Unitarität Störungstheorie gültig bis M Planck (1TeV) Elektroschwache Präzisionsmessungen Direkte Suchen bei LEP und am Tevatron Im Standardmodell wird ein leichtes Higgs-Teilchen bevorzugt Der theoretisch erlaubte Bereich erstreckt sich bis 750 GeV M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 11: Offene Fragen Freiburg SoSe 2010

9 Der ATLAS-Detektor Grenzen auf die Masse des Higgsteilchens ~ 200 Millionen Auslesekanäle 40 Millionen/Sekunde aufnahmebereit M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 9 11: Offene Fragen Freiburg SoSe 2010

10 ATLAS: A Toroidal LHC ApparatuS

11 Erzeugugshäufigkeit bei LHC (logarithmisch) Die Herausforderung M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 11: Offene Fragen Freiburg SoSe 2010 alle Kollisionen nicht interessant Datenvolumen: 1 Million Gigabyte/s Trigger tt abspeichern evtl interessant (0.0005%) Datenvolumen: 1 Audio-CD/s Intelligente Selektion mögl. Entdeckungen nur % Nur 1 Higgs -Teilchen pro Protonkollisionen! Nur 1 Higgs-Teilchen pro gespeicherte Ereignisse

12 Suchen M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 11: Offene Fragen Freiburg SoSe 2010 zwei energiereiche Photonen vier isolierte Leptonen Aufgabe: Identifikation und Rekonstruktion der Higgs-Zerfallsprodukte Rekonstruktion der invarianten Masse der Zerfallsprodukte

13 Higgs-Signale M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 11: Offene Fragen Freiburg SoSe 2010 gg jj + gj Signal-zu-Untergrund: ~ 1/40 Massenauflösung s(m)/m~1.5% Untergrundabschätzung aus Seitenbändern mit Genauigkeit von ~ 0.1% Signal-zu-Untergrund groß Massenauflösung s(m)/m~1.5% relativ insensitiv auf systematische Unsicherheiten

14 Entdeckungspotential bei ATLAS ausgeschlossen von LEP M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 11: Offene Fragen Freiburg SoSe 2010 ausgeschlossen vom Tevatron Entdeckung = Wahrscheinlichkeit einer Fluktuation < für Gaußverteilung (kein syst. Fehler) : Signal/ Untergrund > 5 mit 10 fb -1 : Entdeckung des Higgs-Boson für M H von 124 bis 440 GeV kleine Massen am schwierigsten: Kombination mehrerer Kanäle erforderlich

15 Gib es eine Urkaft? laufende Kopplungstärken treffen sich im Standardmodell nicht Supersymmetrie SUSY: jedes Teilchen erhält Partner mit Spindifferenz 1/2 neue Teilchen ändern Laufen der Kopplungen Vereinigung der Kopplungen möglich Nebenprodukt: oft leichtestes SUSY-teilchen stbil Kandiat für dunkle Maerie Markus Schumacher Physics at the LHC: 3 selected topics Bonn, December 9th 2005

16 Die Suche nach Supersymmetrie (SUSY) squark q p squark p g q SUSY Standard Prozesse Fehlende Energie (GeV) 16

17 Was ist die Struktur der Raum-Zeit? klassisch m1m V(r) 2 M Pl 2 1 r G N =1/M Pl 2 neue Raumdiemensionen mit Radius R, in denen nur Graviation lebt V(r) m1m2 2 δ Μ R D δ 1 r V(r) m m M D 1 r 1 r>>r r<<r Vergleich von 4-dim und 4+ V(r): M Pl2 =8p R M +2 D Erklärt Schwäche der Gravitation Erlaubt If M D = die 1 Möglichkeit TeV then: der for Produktion = 2(3) yields von kleien R = schwarzen 1 mm(nm) Löchern Markus Schumacher Physics at the LHC: 3 selected topics Bonn, December 9th 2005

18 Signaturen von Neuen Raumdimensionen Kleines Schwarzes Loch: harmlos und interessant! 18

19 Obtaining PDF from Histograms An Stelle eines Schlusswortes M. Schumacher Kern- und Teilchenphysik Kapitel 10: Starke Wechselwirkung Freiburg SoSe 2010

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