Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

Transkript

1 Masterclasses mit LHC Daten Auf Augenhöhe mit der aktuellen Forschung Michael Kobel (TU Dresden) Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

2 Collider am CERN ALICE ATLAS CMS LHC-b LEP (e + e - ) GeV bis GeV LHC (pp) seit GeV > GeV? Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

3 Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

4 Ziele der Teilchenphysik Warum? Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

5 Animation: Was wäre wenn Tatsächlicher kosmologischer Ablauf Kleinere W-Masse? Änderung von u-,d-????????? oder e- Masse Kleinere Elektronmasse??????? View Online: Download: : Erniedrige m d m u um 2 MeV/c 2 Protonzerfall, nach wenigen Minuten Keine Sterne, nur neutrale Teilchen (n, g, n) Erniedrige m d m e um 1 MeV/c 2 ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs: keine Wasserstoff-Atome, n stabil Ein Ziel des LHC: Klären, wie Teilchenmassen entstanden sind p e - W - n n e Erforschen, wie ihre Werte zustande kamen. Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

6 Die Bedeutung der Teilchenmassen fi Größen- und Energieskala der Atome (Moleküle, Festkörper, Lebewesen, ) Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien, sowie Stabilität des Wasserstoffatoms fi Bindungsenergie steigt mit m e fi Atomdurchmesser fällt mit 1 / m e fi Kleinere Massendifferenz m d m e verhindert H-Atome fi Kein Sternbrennen ohne Protonen fi Wichtig: Proton stabil, da leichter als Neutron m n = 939,6 MeV/c², m p = 938,3 MeVc² fi Unterschied kommt von fi Massendifferenz: m d - m u fi Effekten der starken und elektromagnetischen Kraft Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

7 Fundamentale Bausteine 1/ /10 1/ /10 1/1.000 > < 0,01 m Kristall 4 Fundamentale Bausteine der Materie (punktförmig) Zwei Quarks : zu Protonen und Neutronen gebunden Down: d (Q= -1/3), Masse ~ 5 MeV/c² Up: 10-9 m Molekül Zwei Leptonen : m Atom m Atomkern u (Q= +2/3), Masse ~ 2 MeV/c² Elektron e: (Q =-1), Masse = 0,5 MeV/c² m Proton <10-18 m Quark Elektron 1 fm Neutrino n: (Q = 0), Masse ~ 0, , MeV/c² ungebunden, entsteht in Kernprozessen (Sonne, Radioakt.) Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

8 Ein Geister teilchen 1914 Chadwick b-zerfall: n p + e - Unerwartete Energieverteilung! Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino n als elektr. neutraler Partner des Elektrons sehr leicht schwach wechselwirkend (Fermi): von schaffen Erddurchquerung! ziemlich verbreitet im Universum Neutrinos / m 3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m 3 Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

9 mehrere Teilchen-Familien! p, He,... Atmosphäre g Entdeckt: wie e, nur 200x schwerer Fuji 3776 m p m primäres Teilchen trifft auf Atmosphäre: km Höhe p n m m n m g n e n m Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

10 Die elementaren Bausteine Ursache der Existenz von 3 Familien noch ungeklärt! Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

11 Massen der (punktförmigen!) Bausteine Sandkorn Auto ~ 0, ~ 0, ~ 0, Queen Mary II 0, , Masse in MeV/c² bzw. in Tonnen Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

12 Die Fragestellungen der Teilchenphysik: Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

13 Raum Zeit Materie ENERGIE ist der Schlüssel Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

14 Raum: Das Erkennen der kleinsten Strukturen Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

15 Zeit: Verbindung zur Kosmologie Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

16 Materie und die fundamentalen Kräfte Jede Kraft hat eigene Botenteilchen Kraft (Wechselwirkung) Starke Kernkraft Botenteilchen Gluonen g Schwache Kraft Elektromagnetismus Weakonen (W und Z) Photonen g Schwerkraft Gravitonen? Wechselwirkung nur dann, wenn entsprechende Ladung vorhanden Es gibt also 3 verschiedene Ladungstypen (stark, schwach, elektrisch) Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

17 Was ist Ladung? Ladung ist kein Stoff! beschreibt die Sensitivität von Teilchen bezüglich der jeweiligen Wechselwirkung Eigenschaften: Ladungen sind Additiv Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladung vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren Michael Kobel Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

18 Antimaterie Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Vorzeichen von allen Ladungen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen können paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt können sie sich paarweise wieder zu Botenteilchen ( Energie ) vernichten Michael Kobel Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

19 Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend Anziehend (nur in internet explorer abspielbar)

20 Feynmandiagramme Ursache jeder Wechselwirkung ist: Erhaltung von Symmetrien Ergibt eindeutiges Set von fundamentalen Vertices Alle Prozesse sind Kombination solch fundamentaler Vertices Zeit z.b. Beta zerfall des Neutrons Anm: Pfeilrichtung symbolisiert Antiteilchen Es läuft trotzdem in der Zeit nach rechts Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

21 Beispiel: Kalium 40 Instabiles Isotop mit 40 Nukleonen (19 Protonen und 21 Neutronen) Zerfällt durch den Betaminus- oder Betapluszerfall mit Halbwertszeit von 1,28 Mrd. Jahren für den menschlichen Körper lebensnotwendig: Regelt als Mineralstoff Wassergehalt in den Zellen Wichtiger Elektrolyt der Körperflüssigkeit. Ca jedes 9000ste Kaliumatom der ca g Kalium in unserem Körper ist Kalium-40. Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden

22 Confinement

23 Einzelne Quarks ergeben Hadronen Jets e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e fi p 800 GeV

24 Was kollidiert eigentlich im LHC? Wechselwirkung nur von Bruchteilen des Protons (Partonen: Quarks und Gluonen ) PROTON BESTEHT I.W. AUS 2u + 1d QUARK U. GLUONEN Schwerpunktsenergie der kollidierenden Partonen (q, g) E SP» 1 10 E SP (pp) E SP Neue Teilchen mit Massen bis zu ~ 1 TeV (ca Protonmassen) erzeugbar

25 Die Entdeckung des W 1983 am Super-Antiproton-Proton Synchrotron (S pps) am CERN Erstes Ereignis pp W + mn + Das Elektron ist durch den roten Pfeil gekennzeichnet Das Neutrino wird durch fehlenden Transversalimpuls (Summe aller Spuren!) indirekt nachgewiesen

26

27 Mögliche Herstellung am LHC Entweder durch Gluon-Quark oder Gluon-Gluon Aus den auslaufenden Quarks entstehen Jets

28 Signaturen des W-Teilchens Am einfachsten zu sehen : ev und µv

29 Charakteristik fehlender Impuls durch Neutrinos senkrecht zum Strahl: p T miss Definition: fehlende transversale Energie: E T miss := p T miss c sichtbar: elektrisch geladenes Lepton W ev W µv aber trotzdem immer vorhanden: Signal und Untergrund

30 Ziele des LHC Wiederentdecken des Bekannten + Suche nach Neuem! media/downloads/ ATLAS_Event.avi (55 MB) Higgs Teilchen - was ist überhaupt Masse? Supersymmetrie ( Dunkle Materie?) - nur 4% des Weltalls ist normale Materie! zusätzliche Raumdimensionen?

31 Massen der Teilchen Unter Benützung experimenteller Teilchenmassen beschreibt Theorie der schwachen Kraft alles, z.b. langsames Brennen der Sonne p + p D + e + + n (Energiegewinn: DE = 0,5 MeV) Masse des Zwischenzustands m W = MeV Rate unterdrückt um ~ (DE / m W ) 4 > Fundamentales Problem Erhaltung (MeV) Experim. Theorie m W m Z m e 0,5 0 m t Grund: Symmetrieprinzipien

32 Die Ruhemassen der Bausteine Symmetrien erfordern masselose Teilchen Erhalten Masse erst ~ sec nach Urknall durch spontane Symmetriebrechung Entsteht Masse durch Kopplung an ein Higgs Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede? Masse (MeV/c²) ,1 1 0,01 0,001 0,0001 0, , E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E-12 0, ,5? 0, , x10 5 2x Familie Up Typ Down Typ Lepton +/- Neutrino

33 Leeres Vakuum Alle Teilchen sind masselos bewegen sich mit Lichtgechwindigkeit Was ist Masse? Higgshintergundfeld Teilchen werden d. Wechselwirkung mit dem Higgsfeld verlangsamt Teilchen erhalten effektiv eine Masse Wert hängt von der Stärke der WW mit dem Hintergrundfeld ab Higgs-Teilchen quantenmechanische Anregung des Higgsfeldes notwendige Konsequenz des Konzepts!

34 Mechanische Analogie zur Higgs Produktion Luft (~ Higgsfeld) normalerweise kaum zu spüren am Besten erfahrbar, wenn in Bewegung Objekte hoher Energie erzeugen Anregungen der Luft Objekte hoher Masse erzeugen Anregung im Higgsfeld = Higgs-Teilchen

35 Higgs Masse unbekannt: Higgs Suche bei ATLAS und CMS Viele Produktionsmechanismen Viele mögliche Zerfälle Als Funktion der Masse vorhersagbar

36 ATLAS Suche nach H gg (7. März 2012) Signatur: Anhäufung bei bestimmter invarianter Masse m gg

37 H ZZ 4 leptons ( ) v Goldener Kanal (kein Untergrund außer echten ZZ) v Am sensitivsten für 200 GeV<m H <275 GeV v Am zweitsensitivsten (nach WW) für 130 GeV<m H <200 GeV Michael Kobel

38 Gesamtergebnisse (gg+zz+ww) vom ATLAS v Ausschlussgebiete möglicher Massen des Higgs Bosons CMS v Vereinbarkeit der Häufigkeit mit der Vorhersage

39 Zweite Aufgabe für später Finden Sie Kandidaten für H W + W -

40 Konkurrenz anderer echter WW Erzeugung Gesuchtes Signal H W + W - Higgs Untergrund aus anderer W + W - Erzeugung

41 Neuestes ATLAS Ergebnis: Search for the Standard Model Higgs boson in the H->WW(*)-> lnulnu decay mode with 4.7 fb-1 of ATLAS data at sqrt(s) = 7 TeV ATLAS Collaboration, 05 March 2012, Beispiel: 13 W + W Jets Kandidaten (mehr Kandidaten mit 1 Jet oder 0 Jets) Higgs signal (Rot) erwartet bei kleinen werten von of Df ll 1.Lepton Df ll 2.Lepton

42 Ähnlich in CMS

43 UND VIEL SPAß!