Neues vom LHC. Exkursion in die Welt der Elementarteilchen. Elementarteilchenphysik heute Higgs und das Gottesteilchen LHC - Wohin geht die Reise?

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1 Neues vom LHC Exkursion in die Welt der Elementarteilchen Elementarteilchenphysik heute Higgs und das Gottesteilchen LHC - Wohin geht die Reise? Uni. Prof. André Hoang, Fakultät für Physik, Universität Wien

2 Large Hadron Collider Umfang: Beschleun. Teilchen: Energie pro Proton: Geschwindigkeit: Kinetische Energie: Kosten: 26.7 km Protonen 7 TeV = 7 x 10 3 m proton c E kin der USS Ronald Reagan bei 6 Knoten 10 Milliarden Dollar (1.9 Milliarden Dollar mehr als das kombinierte schweizer und österreichische Militär-Budget 2010)

3 Large Hadron Collider LHC: Das bislang größte wissenschaftliche Instrument der Elementarteilchenphysik. Bestes bisher gebaute Mikroskop: Auflösung cm Fortführung der Forschungen, die an früheren Beschleuniger-Experimenten durchgeführt wurden. Beantwortung der wichtigsten offenen Fragen. Wegweiser für weitere neue Entwicklungen. HERA (e - p): , Hamburg LEP (e + e - ): Geneva Tevatron (pp): since 1987 Chicago SLC (e + e - ): , Stanford

4 Physik der Atome Wikipedia Die Physik.. untersucht die grundlegenden Phänomene in der Natur in der Absicht deren Eigenschaften und Verhalten anhand von quantitativen Modellen und Gesetzmässigkeiten zu erklären. Sie befasst sich insbesondere mit Materie und Energie und deren Wechselwirkungen in Raum und Zeit.

5 Physik der Atome Experiment Ernest Rutherford (1910) θ

6 Physik der Atome Wasserstoff (H) < cm cm 10-8 cm Elektromagnetische Kraft (γ) Theorie: Quantenmechanik

7 Physik der Atome Helium (He) 2 Elektronen 2 Protonen 2 Neutronen Elektromagnetische Kraft (γ) Starke Kraft Theorie: Quantenmechanik

8 Moderne Elementarteilchenphysik Teilchenzoo ( ) Robert Hofstadter (1956) Friedmann, Kendall, Taylor (1962) θ

9 Moderne Elementarteilchenphysik Proton 2 u-quarks 1 d-quark < cm Gluonen (starke Wechselwirkung)

10 Das Standard-Modell Quantenfeldtheorie (Quantenmechanik + spez. Relativitätstheorie) elektro-magnetische Kraft schwache Kraft starke Kraft + Antiteilchen? Gravitation?

11 Das Standard-Modell Teilchenmassen:

12 Das Standard-Modell - Offene Fragen Woher kommt die Struktur des Standardmodells? Woher kommen die Massen der Elementarteilchen? Was legt die 21 freien Parameter fest?... Warum sind die Kopplungen der 3 Kräfte bei hohen Energien so ähnlich? Ziele des LHC: 1) Entdeckung des Higgs-Bosons und des Mechanismus der spontanen Symmetriebrechnung 2) Entdeckung von Neuer Physik jenseits des Standard-Modells, die uns hilft möglichst viele der offenen Fragen an das Standard-Modell zu klären.

13 Experimente am LHC ATLAS: A Toroidal LHC Aparatus: Higgs Neue Physik Erzeugung neuer Teilchen CMS: Compact Muon Selonoid Higgs Neue Physik Erzeugung neuer Teilchen LHCb: ALICE: A Large Ion Collider Experiment: B-Physik CP-Verletzung Schwerionen-Kollisionen Quark-Gluon-Plasma

14 Das Standard-Modell - Higgs-Mechanismus Relativistische Schrödinger-Gleichung: Normale Teilchen: ( 2 t 2 2) ψ(x, t) =f f ψ (e, μ,...,.. H) klein ψ(x, t) e iet e ipx Higgs-Teilchen: klein ( 2 t 2 2) H(x, t) = λ(h v) 3 + f H (e, μ,...,h).., H(x, t) v + e iet e ipx

15 Das Standard-Modell - Higgs-Mechanismus Relativistische Schrödinger-Gleichung: Normale Teilchen (masselos): ( 2 t 2 2) ψ(x, t) =f ψ (e, μ,..., H) = gh 2 ψ +... H v + e iet e ipx = gv 2 ψ +... m gv 2 ψ ( 2 t m 2) ψ(x, t) = f ψ (e, μ,..., H) Massives Teilchen!

16 Das Standard-Model - Higgs-Mechanismus Wie ein Teilchen Gewicht bekommt.

17 The Standard Model - Higgs Mechanism Wie das Higgs selber Masse bekommt. Man erwartet, dass die Higgsmasse etwa der Masse des schwersten bekannten Teilchens entspricht (Top).

18 Die Jagd auf das Higgs-Boson

19 Die Jagd auf das Higgs-Boson Wirkungsquerschnitte jet π +,π,π 0,K jet μ e e Higgs-Signale sind sehr selten! μ

20 Experimentelle Herausforderungen 2 jets pp qq H + X q q μ ZZ e e e + e μ + μ μ

21 Experimentelle Herausforderungen Events müssen nach bestimmten Kriterien aussortiert werden, so dass Signalevents erhalten bleiben und Hintergrund eliminiert wird. 2 jets pp qq ZZ + X q q μ e e e + e μ + μ μ

22 Experimentelle Herausforderungen Trigger-System: Wirkungsquerschnitte Reduktion der Eventrate um Faktor 10-12! Higgs-Signale sind sehr selten!

23 Experimentelle Herausforderungen Rechen-Kapazitäten: Wirkungsquerschnitte Higgs-Signale sind sehr selten!

24 Theoretische Herausforderungen Protonstruktur Quark und Gluonen im Proton Feynman- Diagramme Harte Reaktion (Quarks, Gluonen, Higgs) Jet and hadron formation Jet-Formation

25 Theoretische Herausforderungen Faktorisierung dσ dq 2 dy = i,j dx1 x 1 dx 2 x 2 f H incl (x 1 p 1,x 2 p 2,q 2 i (x 1,q 2 ) f j (x 2,q 2 ),Y) ij Parton-Verteilungs-Funktionen: f i (x, q 2 )= Wahrscheinlichkeit, dass Parton i den Anteil x des Protonimpulses hat. Berechnung von Feynman- Diagrammen (prozess-unabhängig)

26 Theoretische Herausforderungen Parton-Verteilungs-Funktionen: Parton-Verteilungs-Funktion ändern sich mit der Energie der Protonen. Valenzquarks Mehr Gluonen und Quarks Extrapolationen auf LHC-Energien notwendig. LHC

27 Theoretische Herausforderungen Feyman-Diagramme: Berechnung einer großen Anzahl von Feynman- Diagrammen für Signal- und Hintergrundprozesse Automatisierung der Berechnungen mit Computer-Algebra-Methoden Schnelle numerisch Auswertung der Ergebnisse Prof André H Hoang

28 Die Jagd auf das Higgs-Boson Jagd auf das Higgs: = Zusammenspiel von vielen Physikern und Technikern, die alle Ihre Aufgaben so gut und fehlerfrei wie möglich erledigen müssen, um das Higgs aufzuspüren.

29 Die Jagd auf das Higgs-Boson Status: ausgeschlossen ausgeschlossen Higgs verursacht eine kleine Erhöhung der Eventrate. Higgs mit Masse zwischen 115 und 140 GeV nicht ausgeschlossen. Statistik noch nicht ausreichend für eine Entdeckung. (Ende 2012: Statistik für Entdeckung ausreichend)

30 Suche nach Neuer Physik - Quo Vadis? Ziel Nr. 2 des LHC: Entdeckung von Neuer Physik jenseits des Standard- Modells, die uns hilft möglichst viele der offenen Fragen an das Standard-Modell zu klären. Supersymmetrie: Erweiterung der Raum-Zeit-Symmetrien um eine Symmetrie, die Fermionen und Boson ineinander überführt.

31 Suche nach Neuer Physik - Quo Vadis? Supersymmetrie: Erweiterung der Raum-Zeit-Symmetrien um eine Symmetrie, die Fermionen und Boson ineinander überführt. Obere Schranke an Higgs masse: 145 GeV Vereinheitlichung der Kopplungen der 3 Kräfte? Leider mehr als 100 freie Parameter.

32 Suche nach Neuer Physik - Quo Vadis? Zusätzliche Raum-Zeit-Dimensionen: Kaluza-Klein-Anregungen der Standard- Modell-Teilchen Erklärung warum Graviation so schwach ist. (Hierarchie-Problem) String-Theorie

33 Teilchenphysik und Kosmologie?

34 Conclusions LHC ist ein Fenster zu neuen, unerforschten Bereichen. LHC wird eine Reihe von wichtigen Fragen der Elementarteilchenphysik beantworten (Ursprung von Massen) Viele Experimente zu anderen Fragen Entdeckungen und Resultate werden die weitere Entwicklung der Hochenergie-Teilchenphysik bestimmen.