Der Higgs-Mechanismus. Max Camenzind Akademie Heidelberg Juli 2015

Transkript

1 Der Higgs-Mechanismus Max Camenzind Akademie Heidelberg Juli 2015

2 Pluto New

3 Pluto New

4 Reines Neutrino Nachweis 1956

5 Cowan & Reines Experiment Elektron-Antineutrinos vom Reaktor (ν e ) wechselwirken mit den Protonen im Wassertank, der mit Wasser und Kadmiumchlorid gefüllt ist (CdCl 2 ). Produktion von Positronen (e + ) und Neutronen (n 0 ). Positronen annihilieren mit freien Elektronen, und Neutronen werden von Kadmium-Kernen (Cd) absorbiert angeregte Kerne. Beide Reaktionen resultieren in Gamma- Photonen, die von Szintillatoren in sichtbare Photonen umgewandelt werden. Photomultiplier detektieren diese Lichtblitze. Mehr Lichtblitze, wenn der Reaktor an ist!

6 Der Higgs-Mechanismus 2010 Sakurai Prize Winners (L to R) Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout + [Higgs]

7 Die Fundamental-Papiere

8 Ich erinnere mich noch, wie ich am Freitag, dem 17. Juli 1964 nach Hause ging. ( ) Und am Montag hatte ich es.

9 Spontane Symmetriebrechung Grundzustand ist nicht mehr symmetrisch!

10 Kochbuch: Higgs-Mechanismus Step 1: Lorentz-invariante Lagrange-Dichte für ein Isospin-Dublett von skalaren Feldern

11 Kochbuch: Higgs-Mechanismus Step 2: Dieses Feld soll eine U(1)-Symmetrie aufweisen es existiert Feld B µ (x) Erweiterung der Symmetrie: SU(2)xU(1) mit Ableitung kovariante Ableitung Eich-invariante Lagrange-Dichte der Form

12 Kochbuch: Higgs-Mechanismus Step 3: B µ (x) und W µ (x) sind Eichfelder und sollen daher einer Yang-Mills Dynamik gehorchen Totale Lagrange-Dichte:

13 Kochbuch: Higgs-Mechanismus Step 4: Wahl des Potenzials Gugelhupf mit Grundzustand angeregter Zustand

14 Das Gugelhupf Potenzial Vakuum v F 2 F 1

15 Higgs-Feld v ist wie ein Maisfeld erzeugt Widerstand (Masse = Trägheit) gegen Bewegung v = <0 F 0> Camenzind

16 mit : Higgs-Teilchen : Z 0 Eich-Boson : Photon

17 Kovariante Ableitung ausrechnen t i : Pauli-Matrizen

18 Higgs-Feld erzeugt Massenterme mit Identität: Massenterme für Eichbosonen W und Z

19 cos ) )( ( 2 1 H vh v Z Z g H vh W W g W W v g H H D D W E kin des Higgs-Teilchens W-Masse H-W-Wwirkung Z-Masse + H-Z-Wwirkung Higgs-Mechanismus Massen H vh H Higgs-Massenterm + Higgs-WWirkung

20 Kochbuch: Higgs-Mechanismus Step 5: Identifikation der Teilchenfelder h(x) : neutrales Higgs-Boson W +, W - : geladene schwache Eich-Bosonen Z µ : neutrales schwaches Eich-Boson A µ : masseloses Photon als Eich-Boson

21 Masseneigenzustände Photon (SPS 1983) Weinberg-Winkel: Q W = 28,74 Grad

22 Die Massen der W-Bosonen W +, W - und Z insgesamt nur 2 Massen für 3 Parameter?

23 Kochbuch: Higgs-Mechanismus Step 6: Massen für Quarks und Leptonen mittels Yukawa-Kopplung freie Parameter

24 Higgs Erzeugung im Collider

25 HIGGS-KOPPLUNGEN

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27 Der ATLAS-Detektor am LHC

28 Wenn genügend Energie vorhanden (> 2 TeV) Anregung im Higgs-Feld (H-Boson) zerfällt sofort in andere Teilchen (4µ) µ + µ + µ - µ -

29 SM Zerfallskanäle des Higgs-Bosons 1) H γγ 2) H ZZ 4l 3) H WW 2l2ν Wichtigste Zerfallskanäle 4) H qq Anregung Higgs-Feld 5) H gg m H = 125,3 GeV/c² = 133 Protonen

30 Wichtige Kanäle beim LHC (CERN) M H 2M Z : H M H 2M Z : H Z Z t t t s 14 TeV Zwei Lepton-Paare jeweils mit invarianter Masse M Z Zwei sehr energiereiche, isolierte Photonen

31 Relative Higgs Zerfallsraten

32 Relative Higgs Zerfallsraten

33 Relative Higgs Zerfallsraten

34 4μ Kandidat mit m4μ= 125,1 GeV pt (muons)= 36.1, 47.5, 26.4, 71.7GeV 15 reconstructed vertices ATLAS: Status of SM Higgs searches, 4/7/2012 m12= 86.3 GeV, m34= 31.6 GeV

35 4e Kandidat mit m 4e = 124,6 GeV p T (electrons)= 24.9, 53.9, 61.9, 17.8 GeV m 12 = 70.6 GeV, m 34 = 44.7 GeV - 12 reconstructed vertices ATLAS: Status of SM Higgs searches, 4/7/

36 2e2μ Kandidat mit m 2e2μ = 123,9 GeV p T (e,e,μ,μ)= 18.7, 76, 19.6, 7.9 GeV, 12 reconstructed vertices m (e + e - )= 87.9 GeV, m(μ + μ - ) =19.6 GeV ATLAS: Status of SM Higgs searches, 4/7/2012

37 CMS 2-Photon Event + Protonen

38 ATLAS 2-Photon Event + Schrott

39 Warum ist das Higgs so aufregend? CERN 4. Juli 2012: We observe in our data clear signs of a new particle, at the level of 5 sigma, in the mass region around 126 GeV.

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43 H ZZ 4 ATLAS CMS Nach 50 Jahren Theorie: Es gibt ein Higgs-Boson!

44 2Photon Event im CMS / LHC

45 6 Mrd. Plot: CMS / LHC

46 6 Mrd. Plot: ATLAS / LHC

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48 The Nobel Prize in Physics 2013 Francois Englert (1932) & Peter Higgs (1929)

49 ATLAS+CMS Higgs-Masse / 2015

50 Zusammenfassung Nach 2500 Jahren (Demokrit) die Uratome aufgespürt sind Leptonen & Quarks unteilbar? strukturlos bis Skalen > m! Quarks und Leptonen bilden die normalen Materieteilchen, ergänzt durch Kraftteilchen: Photonen, W- und Z-Bosonen und 8 Gluonen. Dieses Standardmodell ist/wird intensiv in Beschleunigern getestet: LEP, Tevatron, LHC, ILC Higgs-Teilchen ist inzwischen nachgewiesen! Standardmodell erklärt nicht alle Materie des Universums, insbesondere nicht die Dunkle Materie Beträgt die Masse GeV/c²? Standardmodell reicht nicht aus für die Materie des frühen Universums Superkraft? Physik bei Energien > TeV ist zur Zeit nicht bekannt!

51 Ungelöste Fragen im Standardmodell SM 1. Warum ist Gravitation so schwach? 2. Gibt es weitere Raumdimensionen z.b. 6? 3. Was ist die Natur der Dunklen Materie? 4. Ist die Natur wirklich supersymmetrisch? 5. Was ist Dunkle Energie? 6. Warum überwiegt Materie die Anti-Materie? 7. Warum haben Neutrinos eine kleine Masse? 8. Warum gibt es gerade drei Generationen? 9. Sind Leptonen & Quarks Punktteilchen?

52 Zukunft Teilchenbeschleuniger Teilchenbeschleunigung in einem supraleitenden Resonator [Studie: DESY-TESLA]

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54 Die von DESY und der TESLA Technology Collaboration entwickelten Beschleunigungstrukturen (im Fachjargon Resonatoren genannt) sind aus dem Metall Niob gefertigt. Wird Niob kälter als -264 Grad Celsius, so verliert es seinen elektrischen Widerstand und leitet den Strom ohne Energieverlust. Diese Eigenschaft heißt Supraleitung und bringt bei der Teilchenbeschleunigung entscheidende Vorteile: Bei supraleitenden Beschleunigungsstrecken sind die Leistungsverluste in den Wänden der Resonatoren verschwindend gering, so dass nahezu die gesamte Leistung auf die Teilchen übertragen werden kann. Dies reduziert den Energieverbrauch erheblich. Zudem wird ein Teilchenstrahl von extrem hoher Qualität erzeugt, da die Resonatoren wegen des verschwindenden elektrischen Widerstands größer als bei normalleitender Bauweise gemacht werden können und dadurch weniger Störfelder auftreten. So ermöglichen es die supraleitenden TESLA-Resonatoren, einen Teilchenstrahl höchster Güte mit einem sehr kleinen Strahlquerschnitt und hoher Strahlleistung zu erzeugen. Damit lässt sich eine besonders hohe Kollisionsrate der beschleunigten Teilchen erzielen beste Voraussetzungen also für neue Entdeckungen in der Teilchenphysik.

55 An dieser Testanlage bei DESY in Hamburg wurde die supraleitende TESLA-Beschleunigertechnologie entwickelt und erprobt.

56 International Linear Collider ILC Mehrere supraleitende neunzellige TESLA-Resonatoren erreichen eine Beschleunigungsfeldstärke von über 35 MV/m. Diese ermöglicht es, den Beschleuniger bei 800 GeV zu betreiben.

57 TESLA Tunnel (TDR)

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60 Japan bekundet Interesse für ILC

61 CERN Linear Collider CLIC

62 CERN Linear Collider CLIC

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