Jenseits der Antimaterie

Transkript

1 Jenseits der Antimaterie Das Higgs Teilchen eine Suche nach den Grenzen der Physik Peter Schleper Universität Hamburg Akademie der Wissenschaften in Hamburg

2 Quantenphysik: kleinste Bausteine der Natur Periodensystem der Elemente Teilchenphysik: Quarks und Elektronen fundamental und unteilbar

3 Materie und Antimaterie Albert Einstein 1905: Paul Dirac 1928 : Entdeckung 1933 e + e - Spezielle Relativitätstheorie Lichtgeschwindigkeit ist universell c = 30 cm / nano-sekunde Energie kann in Masse übergehen à Erzeugung neuer Teilchen Relativistische Quantenphysik Vorhersage der Antimatierie Elektron: Ladung = -1 Positron: Ladung = +1 Mathematik à Vorhersage der Eigenschaften der Natur

4 Teilchen und Kräfte im Standard - Modell

5 LHC: Large Hadron Collider CERN: Europäisches Zentrum für Teilchenphysik in Genf LHC: Proton-Proton Kollisionen bei ev Faktor 1000 mehr Kollisionen als bisher

6 Der Large Hadron Collider am CERN

7 Das CMS-Experiment Compact Muon Solenoid 100m unter der Erde CMS-Surface-Area CMS-Halle LHC-Tunnel

8 CMS Experiment: Compact Muon Solenoid 39 Länder 184 Institute 2700 Physiker & Ing. Deutsche Gruppen: RWTH Aachen Uni. Hamburg KIT Karlsruhe DESY

9 Detektoren 600 Millionen el. Kanäle Kollisionen alle 25 ns Daten werden weltweit analysiert Beispiel: Silizium - Detektor TEC R3 Modul

10 Detektoren

11 CMS Detektor

12 CMS: Proton Proton Kollisionen

13 LHC & Atlas: Z Zerfall Videos - I lokal CMS: Higgs Kandidaten H-> 4 Muonen lokal H-> Photonen lokal H-> 4 Elektron lokal

14 Symmetrien Symmetrien in der Quantenmechanik Beschreiben Eigenschaften der Teilchen Wellen à Vorhersage der Kräfte!! Analogie: Drehung eines Balls à Phase einer Welle Vorhersagen, Entdeckungen & Nobelpreise Starke und Schwache Kraft 3. Neutrino, Quarks: charm, top W, Z, Gluon Erfolgreich für alle Experimente Higgs?? Problem: Unterschiede zwischen Teilchen Massen sind verboten!!

15 Symmetrie Brechung Symmetrie ist die Kunst der Phantasielosen (unbekannt)

16 Symmetrie - Brechung Postulat von Peter Higgs und anderen (1964): Neues Feld, das selbst im Vakuum nicht Null ist Teilchen reagieren mit diesem Feld und werden dadurch abgebremst à Bewegung der Teilchen so, als hätten sie Masse à Masse erklärt als Kraftkonstante λ m = λ V Higgs (v = Higgs Feldes im Vakuum) Nachweis: Anregung des Higgs Feldes (Teilchen) Analogie: Bewegung durch Wasser

17 Nachweis des Higgs - Teilchens Erzeugung von Higgs Teilchen Benötige Teichen mit hoher Masse ~ Kraftkonstante à mehrstufiger Prozess à kleine Rate Nachweis durch Zerfälle und p p à H à Z Z à e + e - e + e - p p à H à Z Z à e + e - µ + µ -,... p p à H à W W p p à H à W W à Photonen Higgs Boson Decays Konkurrierende Prozesse ohne Higgs W +, Z, t, b, c,!,..., g, Viel häufiger à Finde mehrere Ereignisse mit gleicher Masse ten ist daher in diesem Bereich die natürliche Breite vernachlässigbar klein der experimentellen Auflösung. Ab ca. 160 GeV ergibt sich ein starker Anstieg durch Zerfälle in W un schon knapp unterhalb der kinematischen Schwelle (z.b. für H W + die W -Bosonen nur virtuell erzeugt werden können), kann ein Zerfall d wenn die Unterdrückung durch den Propagator des virtuellen Teilchen viel größere Kopplung (hier HWW-Kopplung) mehr als ausgeglichen wi inbesondere wichtig für Teilchen mit großer Breite, also für die Zerfälle H WW,ZZ,t t Da Photonen und Gluonen masselos sind koppeln sie nicht direkt an das H Trotzdem sind Zerfälle H γγz H gg über Schleifen von Fermionen und Bosonen möglich. Solche Beiträge kö auch in der Produktion wichtig sein. Z In den Schleifen dominieren dann wegen ihrer großen Kopplung an da schwersten Teilchen, t, b, W, Z. DurchdieSchleifensinddieFormelndeu plizierter. Die wesentlichen Abhängigkeiten sind W à -, Z, Berechne t, b, c, ",..., Wahrscheinlichkeit, g, dass Higgs gefunden wurde Γ(H γγ) α 2 G M 3

18 CMS: Higgs Kandidaten Videos - II H-> mumumumu lokal H->gammagamma lokal H->eeee lokal Z Z

19 Kandidaten: Higgs à Photonen

20 Kandidaten: Higgs à Z Z à e+e- e+e-

21 Kandidat: Higgs à Z Z à e+e- µ+µ-

22 Kandidat: Higgs à Photonen

23 Higgs Resultate: Grenzen Vergleich zur Vorhersage des Standard Modells ohne Higgs Große Higgs Massen sind ausgeschlossen erlaubt: 117 < M Higgs < 127,5 GeV Leichte Abweichung bei Higgs Masse von ~ 125 GeV Bei beiden Experimenten etwa gleich

24 Higgs Resultate: P- Werte Wahrscheinlichkeit, dass andere Teilchenprozesse allein die Messungen erklären können Leichte Abweichung bei Higgs Masse von ~ 125 GeV Bei beiden Experimenten gleich Entdeckung erfordert Wahrscheinlichkeit von < 1 / Benötige deutlich mehr Daten (hoffentlich bis Ende 2012)

25 Higgs Resultate: Signal Stärke Vergleich zur Higgs - Vorhersage des Standard Modells Fast überall kein Higgs Signal sichtbar Leichte Abweichung bei Higgs Masse von ~ 125 GeV Bei beiden Experimenten gleich In etwa wie vorhergesagt (im Rahmen der Fehler) à benötige weit mehr Daten

26 Kritik des Standard Modells Erfolge: Wenige Grundprinzipien: Relativität + Quantenphysik Symmetrie + Symmetriebrechung Vorhersage neuer Quanten in der Natur Vorhersage aller bisherigen Labor - Resultate ( + Higgs? ) Erstmalig komplette Beschreibung der Naturgesetze der Physik? Probleme: 17 Teilchen, 26 Naturkonstanten für 5 % der Energie 22 der Konstanten durch Higgs!? Keine Erklärungen? Beitrag zur dunklen Energie? Beitrag zur dunklen Materie? Quantenkorrekturen zum Higgs Bessere Prinzipien? Supersymmetrie? Substrukturen?

27 Zusammenfassung Teilchenphysik: Elektronen,..., Quarks und Kräfte LHC Beschleuniger und Experimente Higgs: Postuliert Higgs Feld Erklärt Masse als Wechselwirkung Entdeckung am LHC möglich... ( 2012? ) Standard Modell: der einfachste Fall: Vorhersagekraft: Antimaterie, top- Quarks, W, Z Eigenschaften des Higgs vorausgesagt Higgs Masse nur noch erlaubt im Bereich 117,5 127,5 GeV Nachweis evtl am LHC? Offene Fragen: Keine Erklärung warum die Natur so ist wie sie ist? Asymmetrie Materie Antimaterie, Gravitation, Dunkle Materie / Energie Viele Alternativen zum Standard Modell: Supersymmetrie, Compositeness, Technicolour Asymmetrie Materie Antimaterie, Gravitation, Dunkle Materie / Energie