Unsichtbares sichtbar machen

Transkript

1 Unsichtbares sichtbar machen Beschleuniger Detektoren Das Z Boson Blick in die Zukunft, Kirchhoff Institut für Physik, Universität Heidelberg

2 Wozu Beschleuniger und Detektoren? Materie um uns herum ist aus Teilchen der ersten Generation/Familie aufgebaut: Protonen, Neutronen, Elektronen, Elektron Neutrinos alle anderen Teilchen müssen produziert werden 2 E=mc : benötige Energie, um die Massen zu erzeugen beschleunige Teilchen auf große Energie Teilchen sollen nachgewiesen werden: Detektoren 2

3 Wie beschleunigt man ein Teilchen? mit einem elektrischen Feld! nur möglich mit elektrisch geladenen Teilchen! 3

4 Wie lenkt man ein Teilchen? mit einem Magnetfeld! Teilchenbahn sehr starke Magnetfelder notwendig => hoher Stromverbrauch => häufig supraleitende Magnete magnetisches Feld 4

5 Der Fernseher ein kleiner Beschleuniger Energie der Elektronen: ca Elektronenvolt (ev) (d.h. Elektronen werden mit Volt Spannung beschleunigt) 5

6 Vom Beschleuniger zum Collider Ein Beschleuniger: schieße Strahl aus beschleunigten Teilchen auf ein festes Ziel Collider zwei kombinierte Beschleuniger: beschleunige zwei Teilchenstrahlen und bringe sie zur Kollision 6

7 LEP: Der Large Electron Positron Collider Opal 7

8 LEP schematisch 8

9 Beschleuniger bei CERN 9

10 Blick in den LEP Tunnel 10

11 Welche Arten von Collidern gibt es? Elektron Positron Collider LEP bis 2000 (je 100 GeV = ev) ILC (International Linear Collider) ab 2015(?) Elektron Proton Collider HERA bis 2007 Hadron Hadron Collider Tevatron (Proton Antiproton) bis 2009 LHC (Large Hadron Collider, Proton Proton) ab 2007 (je 7 TeV = 7000 GeV = ev) 11

12 Neue Teilchen enstehen... 12

13 ... und sollen nachgewiesen werden! 13

14 Welche Teilchen können wir nachweisen? stabile Teilchen (zerfallen nicht im Detektor) kurzlebige Teilchen (zerfallen im Detektor) Nachweis der Zerfallsteilchen Messung der Zerfallsstrecke Quarks nicht einzeln ( frei ) beobachtbar verwandeln sich in Bündel ( Jets ) von Hadronen 14

15 Eigenschaften eines Detektors Nachweis möglichst aller Teilchensorten Nachweis der Teilchen in alle Richtungen Messung der Richtung und der Energie Unterscheidung der Teilchen schnelle Auslese (vor der nächsten Kollision) praktische Überlegung: nicht zu groß nicht zu teuer haltbar 15

16 Spurkammern 16

17 Spurkammern geladene Teilchen können Gase ionisieren Nachweis der herausgelösten Elektronen Rekonstruktion einer Spur Richtung des Teilchens Im Magnetfeld: geladene Teilchen bewegen sich auf gekrümmten Bahnen Stärke der Krümmung: Impuls des Teilchens Richtung der Krümmung: Ladung des Teilchens 17

18 Spuren in der OPAL Spurkammer 18

19 Energiemessung: Prinzip Teilchen geben in Materie ihre Energie durch Produktion neuer Teilchen ab => Schauer Anzahl der Teilchen im Schauer ist proportional zur Energie Nachweiszonen Teilchen Absorber ursprüngliches Teilchen am Ende absorbiert 19

20 Messung der Energie: Kalorimeter elektromagnetisches Kalorimeter Elektronen/Positronen und Photonen verursachen in Materie Schauer aus Photonen und Elektron Positron Paaren kurze, kompakte Schauer hadronisches Kalorimeter Hadronen (z.b. Protonen, Pionen, Neutronen) verursachen in Materie Schauer aus weiteren Hadronen tiefe, ausgedehnte Schauer 20

21 besondere Teilchen Myonen haben wenig Wechselwirkung mit Materie durchdringen fast alles hinterlassen nur wenig Energie Neutrinos elektrisch neutral wechselwirken fast gar nicht mit Materie entkommen unerkannt machen sich durch verschwundene Energie bemerkbar 21

22 Unterscheidung der Teilchensorten Schematisch: Spur kammer innen el. magn. hadronisches Kalorimeter Kalorimeter Myon kammer außen 22

23 schematischer Aufbau eines Detektors Zwiebelschalenartiger Aufbau aus verschiedenen Komponenten Strahlrohr Spur kammer Magnet el. magn. Kalorimeter hadron. Kalorimeter Eisenjoch Myon kammer 23

24 Der OPAL Detektor elektromagnetisches Kalorimeter hadronisches Kalorimeter & Eisenjoch Myonkammern Spurkammer Vertexdetektor Mikrovertexdetektor z Kammer Magnet 24

25 OPAL von innen Während des Zusammenbaus: Blick von innen auf das elektromagnetische Kalorimeter 25

26 Das Z Boson eins der drei Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung elektrisch neutral kann zerfallen in: Z 0 e e q q e e,, Quark Antiquark Paare (im Detektor als zwei Jets sichtbar) Neutrino Antineutrino Paare: unbekannte Teilchen? (leichter als die halbe Z Masse)? 26

27 Die Zerfälle des Z Bosons Was ist eine Zerfallsbreite? Heisenberg' sche Unschärferelation: E t h/ 2 jedes instabile Teilchen hat eine Energieunschärfe, die sich als Massenunschärfe bemerkbar macht Beispiel: W Boson Masse Punkte: Daten farbige Flächen: theoretische Modelle Breite 27

28 Die Zerfälle des Z Bosons II Z Boson: Zerfallsbreite 2.5 GeV Lebensdauer s Analogie Wassereimer: Z0 e e q q je mehr Löcher der Eimer hat, desto schneller ist er leer je größer ein Loch ist, desto mehr Wasser fließt dadurch hinaus Löcher entsprechen Zerfallskanälen? 28

29 Die Zerfälle des Z Bosons III Vorhersagen der Theorie: e e,, gleich wahrscheinlich Zerfall in ( Leptonuniversalität = Myonen und Taus verhalten sich wie Elektronen) Zerfall in q q viel wahrscheinlicher als Zerfall in geladene Leptonen Verhältnis zu Summe aller Zerfälle ergibt Zerfallsbreite Zerfallsbreite e q q Neues? 29

30 Die Zerfälle des Z Bosons IV Zerfallsbreite e q q Neues? Messungen: Auszählen der Zerfallsarten: Stimmen die vorhergesagten Verhältnisse? Vergleich mit der Zerfallsbreite: Wieviele Sorten Neutrinos gibt es? Gibt es noch andere (vorher nicht entdeckte) Teilchen, die leichter als die halbe Z Masse sind? 30

31 Warum interessieren uns diese Fragen? Tests der Theorie: Verhältnisse der Zerfälle Anzahl der Neutrino Familien Suche nach Erklärungen für die Materie im Universum: Neutrinos haben eine (kleine) Masse, tragen zur nicht sichtbaren Materie bei neue Teilchen könnten ebenfalls zur dunklen Materie beitragen 31

32 Materie und Energie im Universum 32

33 Ein Blick in die Zukunft: LHC 33

34 Warum bauen wir den LHC? Steigerung der Schwerpunktsenergie (Energie, die zur Erzeugung neuer Teilchen zur Verfügung steht) von 200 GeV auf GeV weltweit höchste Schwerpunktsenergie erlaubt die Entdeckung neuer Teilchen Higgs Supersymmetrische Teilchen Steigerung der Luminosität (ein Maß für die Rate der Teilchenkollisionen) von 10 cm s auf cm s 34

35 Herausforderungen beim LHC Strahlen enthalten viele Protonen bei sehr hoher Energie => extrem gute Kontrolle notwendig Magnete: sehr große Felder (9 Tesla) notwendig LEP Tunnel: kompakte Bauweise komplett neues Design! 35

36 Erste LHC Magnete werden eingebaut 7. März

37 Daten des LHC 40 Millionen Strahlkreuzungen pro Sekunde 1000 Millionen Proton Proton Kollisionen /s Rohdatenrate: Petabyte/s aber fast alle sind Untergrund entspricht > 1 Million CDs pro Sekunde Nur ein winziger Bruchteil der Daten interessant für Analyse Trigger wählen aus, welche Ereignisse gespeichert werden sollen 37

38 Was muß der Trigger können? 7.5 m 25 ns Hz 5 10 Hz Selektion von 1 aus 1013 Ereignissen 38

39 Der Atlas Detektor Myonsystem Magnet Spurdetektor hadronisches Kalorimeter elektromagnetisches Kalorimeter 39

40 Blick in die ATLAS Halle 40

41 Vergleich ATLAS OPAL ATLAS OPAL 40 m Länge 12 m Länge 20 m Durchmesser 11 m Durchmesser 7000 t Gewicht 3000 t Gewicht 170 Institute aus 35 Ländern ca Mitglieder in der Kollaboration 34 Institute aus 8 Ländern ca. 300 Mitglieder in der Kollaboration 41

42 Kirchhoff Institut für Physik beteiligt sich am Bau des Kalorimeter Triggers für ATLAS Entwicklung und Bau von komplexer Elektronik 8.4 cm 42

43 Zusammenfassung große Beschleuniger sind nötig, um kleinste Teilchen zu erzeugen große Detektoren sind notwendig, um die Teilchen und ihre Zerfallsprodukte zu vermessen es gibt immer noch Neues zu entdecken und Rätsel zu lösen 43