A. Straessner FSP 101 ATLAS. Lange Nacht der Wissenschaften 5. Juli 2013

Transkript

1 Das Higgs-Teilchen und der Ursprung der Masse Teilchenphysik am Large Hadron Collider A. Straessner Lange Nacht der Wissenschaften 5. Juli 2013 FSP 101 ATLAS

2 Das Higgs-Boson 2

3 Das Higgs-Boson (genauer gesagt: ein Higgs-Boson-Kandidat) 3

4 Peter Higgs und andere stellen fest: Das Higgs-Feld verleiht allen Elementarteilchen eine Masse. 4

5 Übersicht Was ist Masse? Masse in der Welt der Elementarteilchen Die Idee von Peter Higgs & Co Suche nach dem Higgs-Boson am Large Hadron Collider Ist das Higgs-Boson entdeckt? Sind alle Rätsel gelöst? 5

6 Masse und Gravitation Gewicht auf der Waage: 6

7 Masse und Gravitation Gewicht auf der Waage durch Anziehungskraft zwischen Erde und Mensch Gravitationskraft 7

8 Masse und Gravitation Gewicht auf der Waage durch Anziehungskraft zwischen Erde und Mensch Gravitationskraft Masse der Erde x Masse des Menschen 8

9 Woher kommt die Masse? Materie ist aus Atomen aufgebaut: Atomhülle: Elektronen Massenanteil etwa 0.001% Atomkern: Protonen und Neutronen Massenanteil etwa % 9

10 Innere Struktur der Protonen Das Elektron ist ein Elementarteilchen keine innere Struktur Und das Proton? Beschuss von Protonen mit Elektronen: Friedman, Kendall, Taylor 1969: punktförmige Objekte im Proton up und down Quarks 10

11 Die Welt der Elementarteilchen 3 Familien von Quark-Paaren 3 Familien von Leptonen Elektron und seine schweren und leichten Partner (c) Particle Zoo 11

12 Die Welt der Elementarteilchen Top Quark: so schwer wie 180 Protonen oder 1 Gold-Atom 12

13 Kräfte und Austauschteilchen Photonen: masselos elektromagnetische Kraft Gluonen: masselos starke Kraft W- und Z-Bosonen: Masse x Protonmasse schwache Kraft 13

14 Protonen und Neutronen Protonen und Neutronen bestehen aus den leichtesten Quarks und werden von der Starken Kraft zusammengehalten: Massenanteil der elementaren Quarks ~5% 95% der Masse aus der Bindungsenergie des Starken Kraftfeldes E = mc 2 14

15 Masse der Elementarteilchen Masse von makroskopischen Objekten ist also zu 95% geklärt Masse von Proton und Neutron etwa 0,9 Giga-Elektronvolt (0,9 GeV) Wie erhalten aber die Elementarteilchen ihre Masse? 15

16 Wechselwirkungen mit dem Higgs-Feld Teilchen ohne Masse kann sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen: Teilchen mit Masse wechselwirkt mit Higgs-Feld: es kann nie Lichtgeschwindigkeit erreichen Masse aller Teilchen proportional zum Wert des Higgs-Feldes im Vakuum (v) Eigenschaft des Higgs-Feldes: bei extrem hohen Temperaturen verschwindet der Vakuumerwartungswert: v = 0 zu Beginn der Entwicklung des Universums v 16

17 Analogie zum Ferromagnetismus hohe Temperatur T T Curie : Zustand niedrigster Energie hat keine Magnetisierung: M=0 Symmetrie = keine Richtung ist bevorzugt 17

18 Analogie zum Ferromagnetismus niedrige Temperatur T<T Curie : Zustand niedrigster Energie mit Magnetisierung M>0 oder M<0 Symmetrie gebrochen 18

19 Analogie zum Ferromagnetismus niedrige Temperatur T<T Curie : Zustand niedrigster Energie mit Magnetisierung M>0 oder M<0 Symmetrie gebrochen 19

20 Peter Higgs und andere schlagen vor: Das Higgs-Feld verleiht allen Elementarteilchen eine Masse nach spontaner Symmetriebrechung P.W. Higgs, Phys. Lett. 12 (1964) 132; Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508; Phys. Rev. 145 (1966) 1156; F. Englert, R. Brout, Phys. Rev. Lett.13 (1964) 321; G.S. Guralnik, C.R. Hagen, T.W.B. Kibble, Phys. Rev. Lett 13 (1964)

21 Peter Higgs und andere schlagen vor: Das Higgs-Feld verleiht allen Elementarteilchen eine Masse nach spontaner Symmetriebrechung P.W. Higgs, Phys. Lett. 12 (1964) 132; Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508; Phys. Rev. 145 (1966) 1156; F. Englert, R. Brout, Phys. Rev. Lett.13 (1964) 321; G.S. Guralnik, C.R. Hagen, T.W.B. Kibble, Phys. Rev. Lett 13 (1964)

22 Das Higgs-Feld Das Higgs-Feld bewirkt spontane Symmetriebrechung mit... 2 V(Φ) Φ 1 Φ 2 Alle Teilchen wechselwirken mit dem symmetrischen Higgsfeld 22

23 Das Higgs-Feld Das Higgs-Feld bewirkt spontane Symmetriebrechung mit... 2 V(Φ) v Φ 1 Φ 2 Massen der Elementarteilchen sind proportional zum Wert v des Higgsfeldes am Punkt niedrigster Energie Symmetrie ist gebrochen Massen der Elementarteilchen sind proportional zu v 23

24 Das Higgs-Feld Das Higgs-Feld bewirkt spontane Symmetriebrechung mit... 2 V(Φ) v Φ 1 Φ 2 Φ(x) v+h(x) Anregungen des Zustands niedrigster Energie Higgs-Boson 24

25 Das Higgs-Feld Das Higgs-Feld bewirkt spontane Symmetriebrechung mit... 2 V(Φ) v Φ 1 Φ 2 Φ(x) v+h(x) Entdeckung des Higgs-Bosons Nachweis des Higgs-Feldes Der letzte Baustein im Standardmodell der Teilchenphysik? 25

26 Das Higgs-Feld 26

27 Leichtes Teilchen 27

28 Schweres Teilchen 28

29 Das Higgs-Boson = Schweres Teilchen 29

30 Streuung von Higgs-Boson mit leichtem Teilchen 30

31 Streuung von Higgs-Boson mit schwerem Teilchen 31

32 Die Erzeugung von Higgs-Bosonen nach HP Beck 32

33 Der Large Hadron Collider am CERN in Genf LHCb ATLAS LHC: 26.7 km Umfang Tunnel in m Tiefe 4 Teilchendetektoren CMS ALICE Protonen mit % der Lichtgeschwindigkeit Umläufe pro Sekunde 8 TeV 1400 Teilchen-Pakete mit je Protonen pro Strahl alle 50 ns eine Strahl-Kreuzung mit bis zu 40 Proton-Proton-Stößen Kollisionsenergie entspricht 8500 x Protonmasse 33

34 ATLAS und CMS Detektor am LHC weltweite Kollaborationen jeweils 3000 Physiker aus 170 Ländern 18 deutsche Universitäten und Forschungsinstitute sind beteiligt 34

35 ATLAS Silizium-Pixel-Detektor 1 Pixel: 50 x 400 μm 2 ein Modul hat Pixel 1744 Module insgesamt Ortsauflösung σ=d/ 12 σ(rφ)=15 μm σ(z)=115 μm 35

36 Teilchenspuren im Detektor aus der Spurkrümmung kann der Impuls der Teilchen bestimmt werden 36

37 Flüssigargon-Kalorimeter zur Energiemessung LAr barrel Blei-Absorber und Kupferelektroden Kupferelektroden Elektron-Teilchenschauer aus Elektronen, Positronen, Photonen Ar + Ar + e - e - Hochspannung und Signalauslese e - Ar + Ar+ e - Ar+ e - geladenes Teilchen Zeit (ns) 37

38 38

39 Higgs-Boson-Zerfall in 2 instabile Z-Bosonen H ZZ e + e - μ + μ - μ e e μ Masse eines Higgs-Boson-Kandidaten wird ermittelt aus den Energien und Impulsen der Zerfallsteilchen: m 4l 39

40 Higgs-Boson-Zerfall in 2 instabile Z-Bosonen Daten mit Messfehlern Untergrund 40

41 4. Juli 2012: Neues Boson am LHC entdeckt 41

42 Ist es das Higgs-Boson? 42

43 Wie schwer ist das Higgs-Boson? CMS: m X = ± 0.3 (stat) ± 0.3 (syst) GeV ATLAS: m H = ± 0.2 (stat) ± 0.6 (syst) GeV etwa 130 mal so schwer wie ein Proton leichter als ein Top-Quark CMS-PAS-HIG ATLAS-CONF

44 Werden alle Higgs-Zerfälle beobachtet? CMS-PAS-HIG ATLAS-CONF Wichtige vorhergesagte Eigenschaft des Higgs-Bosons: Wechselwirkungstärke sollte proportional zur Masse der Teilchen sein! 44

45 Hat das Teilchen die richtigen Eigenschaften? Spin = innerer quantenmechanischer Drehimpuls Alle anderen Elementarteilchen tragen einen solchen Drehimpuls Das Higgs-Boson sollte keinen inneren Drehimpuls haben: Spin 0 Struktur des Vakuums ohne Vorzugsrichtung γ θ* ATLAS-CONF ATLAS-CONF Spin 0 Spin 2 γ H Spin 2 Spin 0 Messungen von H γγ, H ZZ und H WW bevorzugen Spin 0 Spin 1 ausgeschlossen, da H γγ beobachtet 45

46 Schlussfolgerung... und offene Fragen Es ist ein Higgs-Boson! 46

47 Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) Gibt es weitere Higgs-Bosonen? Supersymmetrie: jedes Teilchen hat einen neuen Partner mindestens 5 Higgs-Bosonen löst einige der fundamentalen Theorie-Probleme des Standardmodells h A H 0 H ± u d e n e u ~ d ~ ~ e ~ n e c s m n m ~ c ~ ~ s m ~ n m t b t n t ~ ~ ~ t b t ~ n t g Z W ± g ~ Z ~ ~ W ± ~ H 0 u ~ H 0 d ~ H + u ~ H - d g ~ g Animation nach Till Eifert hat auch Konsequenzen für die Kosmologie 47

48 p Suche nach supersymmetrischen Teilchen X g q p ql 0 2 R 0 1 leichtestes supersymmetrisches Teilchen entkommt fehlende Energie im Detektor q q Planck XVI 2013 Atome 5% Dunkle Materie 27% Dunkle Energie 68% nicht leuchtende, unbekannte, schwere Materiebausteine Teilchenphysik und Kosmologie sind eng verbunden Allerdings noch kein Hinweis auf supersymmetrische Teilchen am LHC 48

49 Wie geht es weiter mit dem LHC? LHC wird repariert, um Energie zu verdoppeln auf TeV Zerstörte LHC- Magnete im Jahr 2008 Reparaturliste: 1500 Magnetkabelverbindungen 612 Helium-Druckventile 15 komplette Dipolmagnete 4 Quadrupolmagnete Datennahme wird 2015 wieder aufgenommen mit höherer Strahlintensität Ziele: Weitere Messungen zur Untersuchung des Higgs-Bosons und der elektro-schwachen Symmetriebrechung Höhere Energie vergrößert das Potenzial zur Entdeckung neuer Teilchen und Phänomene LHC hat ein reiches Physikprogramm für die kommenden 15 Jahre 49

50 Zusammenfassung Ein Higgs-Boson wurde am LHC entdeckt Es stimmt in vielen Eigenschaften mit dem Higgs-Boson des Standardmodells überein, wird aber noch weiter vermessen Hinweise auf Neue Physik? Das Higgs-Boson erbringt lange gesuchten Nachweis des Higgs-Feldes, welches die Massen der Elementarteilchen erklären kann Es bleiben noch viele spannende Fragen, die mit dem LHC-Beschleuniger und seinen Detektoren untersucht werden können Weitere Informationen unter: atlas.ch cms.web.cern.ch iktp.tu-dresden.de 50