Higgs-Jagd an der Weltmaschine. Th. Naumann Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Transkript

1 Higgs-Jagd an der Weltmaschine Th. Naumann Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

2 Das größte Teilchenphysik- Labor der Welt The LHC: Citius, Altius, Fortius James Gillies, Head, communication group, CERN 27 November 2006

3 Das größte Experiment der Menschheit Large Hadron Collider The LHC: Citius, Altius, Fortius LHC James Gillies, Head, communication group, CERN 27 November 2006 bei Genf 3

4 Die großen Fragen Die Weltmaschine Die Experimente Resultate: Higgs 4 4

5 Die Bausteine der Welt QUARKS LEPTONEN 13

6 Kräfte werden vermittelt durch Austausch von Teilchen 15

7 Die vier Kräfte 16

8 Das Higgs- Teilchen 29

9 Was ist Masse? Was fixiert diese Massen? Top-Quark Masse des Gold-Kerns 30

10 Was ist Masse? 31

11 Higgs-Mechanismus Theorie der elektromagnetischen, schwachen + starken Kraft ist perfekt. Eichtheorie: Freiheit, Potentiale umzueichen: Elektromagnetismus Photon + Gluon masselos - ok, aber: W-Bosonen massiv => eichverletzend => WW-Streuung >100%! neues Higgs-Feld kürzt eichverletzende Terme: W W Z W W W W H W W Peter Higgs 1964 Higgs-Teilchen: ermöglicht Masse Schluss-Stein der Theorie - Suche am LHC! koppelt nicht universell, sondern ~ Masse Nobelpreis 2013 mit J. Englert aber auch: Anderson, Nambu, Goldstone Brout, Kibble, Hagen, Guralnik Weinberg, t Hooft, Veltman 35

12 Schwache Bosonen Quarks Leptonen

13 38

14 Das größte Experiment der Menschheit Large Hadron Collider The LHC: Citius, Altius, Fortius LHC James Gillies, Head, communication group, CERN 27 November 2006

15 97

16 LHC Protonen kreisen im LHC gegenläufig. LHC: 27 km Länge 100 m tief Sie werden auf 7 TeV beschleunigt und kollidieren in 4 Experimenten. 99

17 13 ka, 8.4 T Energie: 10 GJ = Airbus A380 = km/h 102 = schmilzt 15 t Kupfer!

18 LHC Die schnellste Rennbahn der Welt Einige tausend Milliarden Protonen umrunden den 27 km langen Ring über Mal je Sekunde.

19 LHC Leerer und kälter als der Weltraum! > 1 LKW/h, 470 total Der Druck in den Strahlrohren von Torr ist ca. 10 Mal niedriger als auf dem Mond. Das Vakuum von m 3 hat das Volumen einer Kathedrale. Mit einer Temperatur von 1.9 K ist der LHC kälter als der Weltraum mit 2.7 K t Stickstoff und 135 t Helium kühlen t Material. 105

20 LHC Strahl Gesamtenergie der Protonstrahlen: 2x350 MJ 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h Nadelöhr: 0.30 mm Durchmesser Protonstrahl am Kollisionspunkt: 0.02 mm Durchmesser Proton-Energie: Mücke im Flug 1 µj

21 Experimente ATLAS >3.000 Physiker 177 Institutionen 38 Staaten 110

22 AT LAS 114

23 ATLAS

24 ATLAS L = 44 m R = 25 m 7000 t Vorwärts Muon Kammern Flüssig Argon Kalorimeter Silizium-Detektoren 83 m 3 flüssiges Ar ~100 Millionen Kanäle ~100 m 2 Si 116

25 CMS 120

26 CMS 122

27 CMS PbWO 4 Kristalle Photon-Nachweis Higgs γγ 123

28 Vom Web zum Grid Rohdaten: 100 Millionen Kanäle 10 9 Ereignisse/s * 1 MB = 1 PB/s Enddaten: 1 khz >1 MB = >1 GB/s = 4 TB/h Ereignisse /a = 3 PB /a CERN alle Daten: real + simuliert 4 Experimente etc: ~200 PB finde ~100 Signale/a Nadel in Heuhaufen 130

29 Erste Kollisionen 134

30

31 147

32 149

33 Fundamental Physics Prize 2013 Milner Foundation 3 million $ P Jenni, F Gianotti (ATLAS), M Della Negra, T Virdee, G Tonelli, J Incandela (CMS) Lyn Evans (LHC) for their leadership role in the scientific endeavour that led to the discovery of the new Higgs-like particle by the ATLAS and CMS collaborations at CERN's Large Hadron Collider

34 Higgs-Suche H t g g H Z Z* l _ l l _ l H W W* l ν l ν einfach, aber selten: sauber, aber selten Jets, Leptonen + Neutrinos: breit Br (H gg) = 0.2 % Br (H ZZ 4l) ~ 10-4 Br (H WW) = 22 % high background 154

35 H γ γ m gg = GeV vertex pointing 156

36 Higgs γγ

37 Higgs γγ ATLAS CMS ATLAS-CONF , σ Signifikanz 1.6±0.3 x Standard-Modell Masse = ± 0.2 stat ± 0.7 syst GeV 3.2 σ Signifikanz 0.8±0.3 x Standard-Modell Masse = ± 0.5 stat ± 0.6 syst GeV 165

38 H 4μ Kandidat p T (μ -, μ +, μ +, μ - ) = 61.2, 33.1, 17.8, 11.6 GeV m 12,Z = 89.7 GeV, m 34,Z* = 24.6 GeV m 4μ = GeV 166

39 Higgs ZZ 4l

40 Higgs ZZ 4l ATLAS CMS ATLAS-CONF Signifikanz 6.6 σ Masse = ± 0.6 stat ± 0.4 syst GeV 1.7±0.5 x Standardmodell 32 Events gesehen, erwartet S+B = 16±2 + 11±1 CMS-PAS-HIG ,3,4 Signifikanz 6.7 σ Masse = ± 0.5 stat ± 0.2 syst GeV 0.9±0.3 x Standardmodell Spin 0 + bevorzugt über 0 -,1,2 mit ~2 σ 171

41 Ist es das Higgs? Signatur: Kopplung ~ Masse μ = 0.80 ± 0.14 ATLAS-COM-CONF ,034,035 CMS-HIG-13-04,05 μ = beobachtet / Standard-Modell μ LHC = 1.0 ±

42 Ist es das Higgs? 2013 LHC >2024 HL upgrade > fb -1 μ

43 Higgs - ein neues Feld Spin Feld abgeleitet fundamental 0 Skalar Temperatur, Druck,... Higgs. Inflation, Dunkle Energie 1 Vektor Strömung: Wind, Wasser Kraft: Elektro-Magnetisch 2 Tensor Elastizität Kraft: Gravitation ½ Spinor Bausteine: Elektron, Quarks (Fermionen) 185

44 Higgs Spin elektroschwache Symmetrie-Brechung global in Raum + Zeit keine bevorzugte Richtung im Vakuum kein Spin des Vakuum-Grundzustands! Higgs: erstes fundamentales Skalar-Feld! J P CL reject Kanäle % ZZ % ZZ, WW % ZZ, WW 2 + >99.9 % ZZ, WW, γγ CERN-PH-EP subm. to Physics Letters B H gg, H ZZ* 4l, H WW* llνν Spin 0 ausgeschlossen zu >99% Spin = 0 + favorisiert zu 98% 186

45 LHC - wie weiter? Reparatur 2014 Restart E = 2 7 TeV, volle Intensität => volles Entdeckungspotential erforsche die neue Welt der Skalare: Higgs Spin, Kopplungen,... Higgs- Kopplung ~ Massen Fermionen Higgs Top Bosonen - SUSY, wo bist Du: >1 TeV mehr (geladene) Higgse? - Extra Dimensionen: >2 TeV? 212

46 Terra Incognita zu neuen Ufern 217

47 Kolumbus suchte Indien. Er entdeckte Amerika. 218

48 Expect the Unexpected 219