Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders

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1 Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Stefan Dittmaier Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

2 Fragen (nicht nur) an die Elementarteilchenphysik... nach der Struktur von Materie: Aufbau von Materie? Elementaren Bausteine der Materie? WAS? Ordnungsprinzip? Antike: philosophische Ansätze 6. Jahrh. v. Chr. Thales von Milet u.a. Erde, Wasser, Feuer, Luft 5. Jahrh. v. Chr. Leukipp / Demokrit Atome als kleinste unteilbare Teilchen... Neuzeit in Europa: Begründung der modernen Chemie und Physik 17. Jahrh. Boyle u.a. Klassifizierung der Elemente durch exp. Methoden 19. Jahrh. Clausius, Maxwell, Boltzmann u.a. exp. Hinweise auf Atome... heute Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

3 Fragen (nicht nur) an die Elementarteilchenphysik... nach den Naturgesetzen: Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen? Mathematische Beschreibung? WIE? Grundprinzipien? Gibt es ein fundamentales Grundprinzip? Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

4 Fragen (nicht nur) an die Elementarteilchenphysik... nach der Struktur von Raum und Zeit: Drei Raumdimensionen oder mehr? WO & WANN? Unterschiede zwischen Raum und Zeit? Gibt es eine kleinste Länge oder Zeitspanne? Allgemeine Relativitätstheorie Einstein 1915 Masse & Energie krümmen Raum und Zeit Beschreibung großer Abstände (Erdschwerkraft, Planetenbewegung, Astronomie, GPS, etc.) Aber: Struktur bei kleinen Abständen? Quantentheorie? Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

5 Jenseits der Physik... Warum? Wahrheit Sinn Seele Gott Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

6 Zum Inhalt des Vortrages Aufbau von Materie, Elektromagnetismus und Starke Kraft Schwache Wechselwirkung und Teilchenmassen Physik am Large Hadron Collider Die Suche nach Neuer Physik e ẽ? Schlussbemerkungen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

7 Aufbau von Materie, Elektromagnetismus und Starke Kraft Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

8 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

9 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Molekül 10 9 m Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

10 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Chemie, Biologie, etc. Molekül 10 9 m Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

11 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Chemie, Biologie, etc. Molekül 10 9 m Atom m Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

12 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Chemie, Biologie, etc. Molekül 10 9 m Atomphysik Atom m Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

13 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Chemie, Biologie, etc. Molekül 10 9 m Atomphysik Atom m Elektron punktförmig (< m) e Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

14 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Chemie, Biologie, etc. Molekül 10 9 m Atomphysik Atom m Elektron punktförmig (< m) e Atomkern m Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

15 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Chemie, Biologie, etc. Molekül 10 9 m Atomphysik Atom m Elektron punktförmig (< m) e Kernphysik Atomkern m Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

16 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Chemie, Biologie, etc. Molekül 10 9 m Atomphysik Atom m Elektron punktförmig (< m) e Kernphysik Atomkern m Nukleonen m Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

17 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Chemie, Biologie, etc. Molekül 10 9 m Atomphysik Atom m Elektron punktförmig (< m) e u d Kernphysik Atomkern m Nukleonen m Quarks punktförmig (< m) Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

18 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Chemie, Biologie, etc. Molekül 10 9 m Atomphysik Atom m Elementarteilchenphysik Elektron punktförmig (< m) e u d Kernphysik Atomkern m Nukleonen m Quarks punktförmig (< m) Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

19 Aufbau von Materie Kristall 10 2 m Elektromagnetische WW Dominante Wechselwirkungen: Elektromagnetische WW Starke WW Molekül 10 9 m Atom m Elektromagnetische WW Elektron punktförmig (< m) e u d Starke WW Atomkern m Nukleonen m Starke WW Quarks punktförmig (< m) Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

20 Elektromagnetische Wechselwirkung ca Klassische Elektrodynamik Maxwell sche Gleichungen Elektrische Ladungen erzeugen elektrisches Feld Bewegte Ladungen erzeugen magnetisches Feld E- und B-Felder bedingen sich gegenseitig Vereinigung der Kräfte Quantentheorie: Welle-Teilchen-Dualismus Elmg. Wellen haben auch Teilchencharakter ( Photonen γ) Energieübertrag quantisiert in E = hν (h = Planck sches Wirkungsquantum, ν = Frequenz) Teilchen haben auch Wellencharakter Impulsbetrag p entspricht De Broglie-Wellenlänge λ = h/p Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

21 Quantenelektrodynamik (QED) Tomonaga, Schwinger, Feynman, etc. Quantentheorie der WW zwischen Elektronen/Positronen und Photonen Elmg. WW durch Austausch von Photonen Vereinigung der Elektromagnetischen Wechselwirkung mit Quantentheorie und Spezieller Relativitätstheorie e Elementare WW: γ e Typische Prozesse: γ Ladung (z.b. Kern) Elektron-Streuung e e e γ e γ e + e γ e + e γ Elektron-Positron-Paarvernichtung Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

22 Mathematisches Grundkonzept: Symmetrien! Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

23 Mathematisches Grundkonzept: Symmetrien! Raum-Zeit-Symmetrie Klassifizierung von Teilchen nach Masse und Spin (=Eigendrehimpuls) Gleiche Naturgesetze in allen Beobachtungssystemen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

24 Mathematisches Grundkonzept: Symmetrien! Raum-Zeit-Symmetrie Klassifizierung von Teilchen nach Masse und Spin (=Eigendrehimpuls) Diskrete Symmetrien: Raumspiegelung P QED-Prozesse auch gespiegelt möglich Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

25 Mathematisches Grundkonzept: Symmetrien! Raum-Zeit-Symmetrie Klassifizierung von Teilchen nach Masse und Spin (=Eigendrehimpuls) Diskrete Symmetrien: Raumspiegelung P Zeitumkehr T QED-Prozesse auch rückwärts möglich Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

26 Mathematisches Grundkonzept: Symmetrien! Raum-Zeit-Symmetrie Klassifizierung von Teilchen nach Masse und Spin (=Eigendrehimpuls) Diskrete Symmetrien: Raumspiegelung P Zeitumkehr T Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie C e e + QED-Gesetze gleich für Elektronen und Positronen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

27 Mathematisches Grundkonzept: Symmetrien! Raum-Zeit-Symmetrie Klassifizierung von Teilchen nach Masse und Spin (=Eigendrehimpuls) Diskrete Symmetrien: Raumspiegelung P Zeitumkehr T Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie C Eichsymmetrie der QED Form der Wechselwirkung von Elektronen/Positronen mit Photonen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

28 Globale und lokale Umeichung V V ց ւ 0V Keine Potentialdifferenz zwischen Füßen (Symmetrie!) kein elektrisches Feld Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

29 Globale und lokale Umeichung 0V ց 0V ւ 1000 V Globale Umeichung U U 1000 V kein elektrisches Feld Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

30 Globale und lokale Umeichung V 0V ց ւ Lokale Änderung der Spannung (keine Symmetrie!) elektrisches Feld Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

31 Globale und lokale Umeichung V ց V ց 0V ւ Wiederherstellung der Symmetrie durch neues Potential! Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

32 Grundprinzip einer Eichtheorie Elektronen tragen inneren Freiheitsgrad Zeiger In Theorie: Zeiger muss festgelegt werden, aber Zeigerstellung enthält keine physikalische Information Festlegung = Eichung Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

33 Grundprinzip einer Eichtheorie Elektronen tragen inneren Freiheitsgrad Zeiger In Theorie: Zeiger muss festgelegt werden, aber Zeigerstellung enthält keine physikalische Information Festlegung = Eichung Globale Eichung unnatürlich Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

34 Grundprinzip einer Eichtheorie Elektronen tragen inneren Freiheitsgrad Zeiger In Theorie: Zeiger muss festgelegt werden, aber Zeigerstellung enthält keine physikalische Information Festlegung = Eichung Lokale Eichung natürlich Einführung von Eichpotentialen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

35 Grundprinzip einer Eichtheorie Elektronen tragen inneren Freiheitsgrad Zeiger In Theorie: Zeiger muss festgelegt werden, aber Zeigerstellung enthält keine physikalische Information Festlegung = Eichung Lokale Eichung natürlich Einführung von Eichpotentialen In Quantenfeldtheorie: Eichpotentiale erzeugen/vernichten Teilchen, sog. Eichbosonen QED: Eichboson = Photon γ koppelt an alle elektrisch geladenen Teilchen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

36 Quantenchromodynamik (QCD) Theorie der Starken WW Gell-Mann, Fritzsch, Leutwyler, Gross, Wilczek, Politzer, etc. Jede Quark-Spezies ( Flavour ) kommt in 3-facher Ausfertigung vor: q = q rot q blau q grün 1 A Eichbosonen: Eichsymmetrie: kontinuierliche Austauschsymmetrie der Farbladung ( Colour ) 8 Gluonen g Unterschiede zur QED: Eichkopplung an Quarks q g q q Eichtransformationen kommutieren nicht (Eichgruppe SU(3) ist nicht-abel sch) Eichbosonen können Farbladung der Quarks ändern, d.h. Gluonen tragen selbst Farbladung Gluon-Selbst-Wechselwirkungen: g g g g g g g Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

37 Teilchenbeschleuniger als Teilchen-Mikroskop Rutherford, 1908 Hofstadter, 1956 Friedman, Kendall, HERA, zukünftige Taylor, 1962 (DESY Hamburg) Experimente? Entdeckung des Atomkerns Ausdehnung des Protons Partonen als Konstituenten Quark- / Gluon- Gehalt des Protons Quark- Substruktur? Unser heutiges Verständnis des Protons: Proton = komplexer gebundener Zustand aus Valenz-Quarks See-Quarks Gluon-See uud uū, d d, s s, c c, b b g Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

38 Eigenschaften der Starken Wechselwirkung Confinement: Farbladung tritt nicht frei auf Quarks und Gluon nur in farbneutralen gebundenen Zuständen, den Hadronen : Baryonen & Mesonen q q q ++ udd p uud n udd etc. q q π + u d π dū π 0 uū d d etc. Asymptotische Freiheit : Starke WW wird schwächer bei kleineren Abständen, d.h. höheren Energieüberträgen Partonen sind nahezu freie Teilchen in Proton-Stößen Jet-Bildung bei hohen Energie-Überträgen Hadron-Kaskaden ( Jets ) durch q q-bildung: Zeit usw. Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

39 Ein typisches 4-Jet-Event, beobachtet bei LEP-Kollaboration ALEPH YX hist.of BA.+E.C. 500cm 0 Y 500cm ALEPH DALI_E2 ECM=200 Pch=78.6 Efl=197. Ewi=126. Eha=41.3 lqqqq_ev Run=50662 Evt=19981 Nch=28 EV1=0 EV2=0 EV3=0 ThT= :47 Detb= E1FFFF 17.Gev EC 13. Gev EC 8.6Gev HC 11. Gev HC 500cm 0 X 500cm Z0<10 D0<2 F.C. imp. RZ 600cm 0 ρ 600cm 600cm 0 Z 600cm Z0<10 D0<2 F.C. imp. θ=180 o o xo o oo x o o o o o o o ooo x o o x x o x x x o x o xo o ox o o x x o 24. GeV θ=0 (φ 43 )*SIN(θ) Made on 3-Aug :42:48 by lancon with DALI_E2. Filename: DC050662_019981_990803_1442.PS Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

40 Der ALEPH-Detektor des Large Electron Positron Colliders (LEP) am CERN (Genf), Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

41 Der Large Electron Positron Collider (LEP) am CERN (Genf), e + e -Kollisionen bei Energien von ca. 90GeV 210 GeV LEP-Tunnel: 27 km Umfang; 4 Detektoren: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

42 Teilchenerbeschleuniger als Teilchenerzeuger Teilchenkollisionen (e + e, ep, pp, p p, etc.) erzeugen weitere Teilchen: Photonen γ Leptonen/Antileptonen: Elektron/Positron e ±, Myon µ ±, Tauon τ ± {z } instabile, schwerere Kopien von e ± Hadronischer Teilchenzoo : Ordnung durch Quark-Modell Z 0 - und W ± -Bosonen zahlreiche Mesonen und Baryonen Top-Quark t: 1995 entdeckt am Fermilab (nahe Chicago) schwerstes Elementarteilchen Schwere Austauschteilchen (Eichbosonen) der Schwachen Wechselwirkung (Anti-)Neutrinos ν e, ν µ, ν τ : neutrale Partner zu Leptonen wechselwirken nur schwach spezielle Detektoren nötig Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

43 Schwache Wechselwirkung und Teilchenmassen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

44 Experimentelle Fakten zur Schwachen Wechselwirkung Entdeckung durch radioaktiven Beta-Zerfall ca. 1900: Becquerel, M+P Curie, Rutherford, etc. Entdeckung der P-Verletzung, 1956 Wu et al. Schwache WW hat keine Spiegelsymmetrie Entdeckung der CP-Verletzung, 1964 Cronin, Fitch, Turlay keine Zeitumkehr-Symmetrie wichtig in Kosmologie Entdeckung der W- und Z-Bosonen am CERN, 1983 Schwere (!) Austauschteilchen der Schwachen WW (bereits in den 60ern postuliert) Hochpräzise Physik mit W/Z-Bosonen, LEP (CERN), SLC (SLAC, Stanford), Tevatron (Fermilab) Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

45 Theorie der (Elektro-)Schwachen Wechselwirkung Erster Ansatz: Fermi-Modell, Glashow-Salam-Weinberg-Modell (GSW), ca = Nicht-Abel sche Eichtheorie mit Spontaner Symmetriebrechung GSW-Modell vereinheitlicht Elektromagnetische und Schwache WW W- und Z-Bosonen unterscheiden links- und rechtshändige Fermion-Anteile: ν L e e L «,..., t L b L «sind Symmetrie-Dubletts, aber ν R e,..., b R sind Singletts W + ν L e W ē L W + ν R e W R ē etc. e L ν L e e R ν R e Selbstwechselwirkungen der Eichbosonen γ, Z, W ± γ/z W W γ/z/w W W γ/z/w Einführung von Teilchenmassen durch Higgs-Mechanismus Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

46 Der Higgs-Mechanismus wie bekommen Teilchen ihre Masse? Peter Higgs... beschreibt das Abel sche Higgs-Modell Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

47 Der Higgs-Mechanismus wie bekommen Teilchen ihre Masse? Peter Higgs... beschreibt das Abel sche Higgs-Modell Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

48 Der Higgs-Mechanismus wie bekommen Teilchen ihre Masse? Potential-Minimum = Grundzustand Aufteilung des Feldes φ: = Vakuumkonfiguration (kein Teilchen!) φ(x) = φ min {z} + H(x) {z } Vakuumanteil Higgs-Feld erzeugt Higgs-Teilchen F X φ min F H Peter Higgs... beschreibt das Abel sche Higgs-Modell Teilchen F bekommt Masse durch Wechselwirkung mit φ Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

49 Elementarteilchen und deren Wechelwirkungen ν e Elek.-Neutrino < 3 ev e Elektron 511 kev u Up-Quark 2 MeV d Down-Quark 5 MeV ν µ Myon-Neutrino < 190 kev µ Myon MeV c Charm-Quark 1.5 GeV s Strange-Quark 150 MeV ν τ Tau-Neutrino < 18 MeV τ Tauon 1777 MeV t Top-Quark 171 GeV b Bottom-Quark 4.5 GeV Leptonen Quarks Fermionen (Materieteilchen) Elektromagnetische Kraft Austauschteilchen: Photon Schwache Kraft Austauschteilchen: W-, Z-Boson Starke Kraft Austauschteilchen: Gluon f q f ( ) q W, Z g W g W g Z g e e W W g g γ W W g g γ Photon 0 W W-Boson GeV H Higgs-Boson > 115 GeV Z Z-Boson GeV g Gluon 0 Bosonen (Wechselwirkungsteilchen) Gravitation Austauschteilchen: Graviton??? H = einziges noch (?) nicht entdecktes Teilchen dieses Spektrums Elementar heißt: punktförmig: keine Substruktur, lokal wechselwirkend aber nicht notwendigerweise: stabil oder frei beobachtbar Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

50 Ó ÓÒ Ò Ï ± γ À ¹ Ó ÓÒ Ë Ð ØÛ ÐÛ Ö ÙÒ Struktur und elementare Kopplungen des Standardmodells ÖÑ ÓÒ Ò Ó ÓÒ Ò ¹Ï ÐÛ Ö ÙÒ Ò Å Ø Ö ÉÙ Ö Ä ÔØÓÒ Ò Ù Û ¹Ï ÐÛ Ö ÙÒ Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

51 Struktur und elementare Kopplungen des Standardmodells Test des Modells Experimentelle Rekonstruktion der Elementar-WW {z } Feynman-Regeln Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

52 Struktur und elementare Kopplungen des Standardmodells Test des Modells Experimentelle Rekonstruktion der Elementar-WW {z } Feynman-Regeln Bausteine für geeignete Reaktionen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

53 Ein Beispiel: W-Paarproduktion in e + e -Streuung e + e WW 4f e + W e e + γ, Z W W Messung der W-Boson-Masse M W und der γww-/zww-kopplungen ν e e W Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

54 Ein Beispiel: W-Paarproduktion in e + e -Streuung e + e WW 4f e + W e e + γ, Z W W Messung der W-Boson-Masse M W und der γww-/zww-kopplungen ν e e W Messergebnis von LEP2: σ WW (pb) 30 LEP PRELIMINARY 17/02/2005 Wirkungsquerschnitt σ WW Produktionswahrscheinlichkeit 20 Resultat = Nachweis der Eich-WW: 10 γ/z W YFSWW/RacoonWW no ZWW vertex (Gentle) only ν e exchange (Gentle) W s (GeV) Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

55 Das Standardmodell auf dem Prüfstand Modell beschreibt bekannte Phänomene sehr gut und sehr genau Struktur der Eichwechselwirkung bestätigt Teilchenhaushalt verifiziert einzige Ausnahme: Higgs-Boson Higgs Experimente schränken Masse des Higgs-Bosons ein LHC kann Higgs-Boson finden oder ausschließen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

56 Physik am Large Hadron Collider Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

57 Large Hadron Collider der Welt größter Teilchenbeschleuniger 1994 CERN Council beschließt Bau des LHC Wiederverwendung des LEP-Tunnels Offizieller Start des LHC 10 Tage später: größere Schäden durch Probleme im Kühlsystem Reparatur bis August 2009 Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

58 Large Hadron Collider der Welt größter Teilchenbeschleuniger 1994 CERN Council beschließt Bau des LHC Wiederverwendung des LEP-Tunnels Offizieller Start des LHC 10 Tage später: größere Schäden durch Probleme im Kühlsystem Reparatur bis August 2009 Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

59 Large Hadron Collider der Welt größter Teilchenbeschleuniger LHC back to live! : Erste p-strahlen im Speicherring : Erste Kollisionen mit Strahlenergie E beam = 450 GeV : E beam = 1.18 TeV neuer Weltrekord! : LHC geht in Winterpause bis Februar 2010 ca. 1 Million Kollisionen auf Band Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

60 LHC-Tunnel, Strahlröhre und supraleitende Magnete Beschleuniger: Umfang = 27 km Magnete: 1232 supraleitende Dipolmagnete (Länge 14m, mg. Flussdichte B = 8T bei T = 1.9K) p-strahlen: E p = 7TeV = 7000GeV (Energie/Strahl bis zu 360MJ) Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

61 Zum Wirkungsquerschnitt σ pp inelastischer pp-kollisionen: Parton-Modell für Protonstruktur Quarks & Gluonen prozess-unabhängige Partonverteilungen experimentell bestimmt Harte Wechselwirkung der Partonen Präzisionsrechnungen möglich, Modell für harte Wechselwirkung kann getestet werden σ pp kann berechnet werden! Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

62 Zur Higgs-Suche am LHC Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen: W, Z f H M W H m f W, Z f Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

63 Zur Higgs-Suche am LHC Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen: W, Z f H M W H m f W, Z f Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks Reaktionen nach Prinzip des LEGO-Baukastens t t t H Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

64 Zur Higgs-Suche am LHC Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen: W, Z f H M W H m f W, Z f Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks Reaktionen nach Prinzip des LEGO-Baukastens t γ t t H t,w γ Suche nach 2 Photonen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

65 Zur Higgs-Suche am LHC Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen: W, Z f H M W H m f W, Z f Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks Reaktionen nach Prinzip des LEGO-Baukastens l t t t H Z Z l + l l + Suche nach 4 Leptonen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

66 Zur Higgs-Suche am LHC Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen: W, Z f H M W H m f W, Z f Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks Reaktionen nach Prinzip des LEGO-Baukastens l t t t H W W ν l ν l l + Suche nach 2 Leptonen + fehlende Energie Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

67 Zur Higgs-Suche am LHC Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen: W, Z f H M W H m f W, Z f Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks Reaktionen nach Prinzip des LEGO-Baukastens q l W,Z W ν l W,Z q H W ν l l + Suche nach 2 Leptonen + fehlende Energie + 2 Jets Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

68 Die Suche nach dem Higgs-Boson = Suche nach Stecknadel im Heuhaufen Problem: Stecknadel zerfällt zu Heu! H Lösung: Große, komplexe Detektoren mit hoher Auflösung für Teilchenspuren und Energien Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

69 Der ATLAS-Detektor Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

70 Der ATLAS-Detektor Bilder der ATLAS-Montage Das Rad des Myon-Systems Montage der Endkappe Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

71 Der ATLAS-Detektor Simuliertes Higgs-Event der einfachen Signatur H ZZ 2e2µ Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

72 Der CMS-Detektor Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

73 Der CMS-Detektor Bilder der CMS-Montage Hadronisches Calorimeter der Endkappe Spurdetektor Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

74 Der CMS-Detektor Simuliertes Higgs-Event der einfachen Signatur H ZZ 2e2q Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

75 Der CMS-Detektor Simuliertes Higgs-Event der einfachen Signatur H ZZ 2e2q Präzise Vorhersagen erforderlich, sonst... Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

76 Ein Beispiel: der Problemkanal pp t th( b b) b p b b q q H + W t t b W Relevanz: Messung der t th-yukawa-kopplung wichtig für Verifikation des Higgs-Mechanismus Probleme: wenige Ereignisse Untergrund durch verwandte Reaktionen ohne Higgs: pp t tb b, t t + jets Analyse ist Gegenstand aktueller Forschung: Unterscheidung des Signals vom Untergrund durch kinematische Details genauere Berechnungen des Untergrundes l ν l p Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

77 Anmerkungen zur Präzisionsrechnung zu pp t tb b q q t b t b g g t b t b g g g t t b b g q q t t b b Zahlreiche Diagramme (> 1500) für Quantenkorrektur Algebraische Komplexität Komplizierte analytische Struktur Effiziente numerische Auswertung In der Praxis: Projekte erfordern harte Team-Arbeit über viele Jahre! Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

78 Anmerkungen zur Präzisionsrechnung zu pp t tb b q q t b t b g g t b t b g g g t t b b g q q t t b b Zahlreiche Diagramme (> 1500) für Quantenkorrektur Algebraische Komplexität Komplizierte analytische Struktur Effiziente numerische Auswertung In der Praxis: Projekte erfordern harte Team-Arbeit über viele Jahre! Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

79 Die Suche nach Neuer Physik Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

80 Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen: Fermionen Bosonen Eichwechselwirkung Eichbosonen: γ, Z, W ±, g Materie: Quarks+Leptonen Yukawa-Wechselwirkung Higgs-Boson: Selbstwechselwirkung = exp. nicht verifizierter Teil Klärung durch den LHC! Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

81 Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen: Fermionen Bosonen Eichwechselwirkung Eichbosonen: γ, Z, W ±, g Materie: Quarks+Leptonen Exotische ν s, weitere Generationen? Yukawa-Wechselwirkung Higgs-Boson: Selbstwechselwirkung Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

82 Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen: Fermionen Bosonen Eichwechselwirkung Eichbosonen: γ, Z, W ±, g Materie: Quarks+Leptonen Exotische ν s, weitere Generationen? Yukawa-Wechselwirkung Higgs-Boson: Selbstwechselwirkung weitere oder unsichtbare Higgs-Bosonen? Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

83 Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen: Fermionen Bosonen Erweiterung / Vereinigung? Eichwechselwirkung weitere Eichbosonen: Z, W, X, Y Eichbosonen: γ, Z, W ±, g Materie: Quarks+Leptonen Exotische ν s, weitere Generationen? Yukawa-Wechselwirkung Higgs-Boson: Selbstwechselwirkung weitere oder unsichtbare Higgs-Bosonen? Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

84 Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen: Fermionen Neutralinos/Charginos χ 0 / χ ± Supersymmetrie? Bosonen Sfermionen f Erweiterung / Vereinigung? Eichwechselwirkung weitere Eichbosonen: Z, W, X, Y Eichbosonen: γ, Z, W ±, g Materie: Quarks+Leptonen Exotische ν s, weitere Generationen? Yukawa-Wechselwirkung Higgs-Boson: Selbstwechselwirkung weitere oder unsichtbare Higgs-Bosonen? Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

85 Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen: Fermionen Neutralinos/Charginos χ 0 / χ ± Supersymmetrie? Bosonen Sfermionen f Erweiterung / Vereinigung? Eichwechselwirkung weitere Eichbosonen: Z, W, X, Y Eichbosonen: γ, Z, W ±, g Materie: Quarks+Leptonen Exotische ν s, weitere Generationen? Yukawa-Wechselwirkung Higgs-Boson: Selbstwechselwirkung weitere oder unsichtbare Higgs-Bosonen? + mehr exotische Ideen... Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

86 Supersymmetrie (SUSY) Struktur und Phänomenologie = Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen Standard-Teilchen SUSY-Partner u c t g H d s b γ ν e ν µ ν τ Z e µ τ W Pro s & Con s: SUSY ũ c t g H d s b γ ν e ν µ ν τ Z ẽ µ τ W Squarks / Sleptonen / Gauginos / Higgsinos {z } Gluino / Neutralinos / Charginos Verdopplung des Teilchenhaushaltes Aber: bislang kein experimenteller Hinweis auf SUSY-Partner am LHC?! Kandidat für Dunkle Materie Große Vereinheitlichung erscheint natürlich Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

87 SUSY und die Idee der Großen Vereinigung Große Vereinigung : Elmg., Starke und Schwache Kopplungen vereinigen sich bei hohen Energien µ SUSY erlaubt Vereinigung in einem Punkt Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

88 Schlussbemerkungen Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

89 Grundlegende Erkenntnisse Symmetrie = mathematischer Schlüssel zur Beschreibung der vier bekannten elementaren Wechselwirkungen Standardmodell der Elementarteilchen (QCD & GSW) beschreiben bekannte Phänomene sehr gut Starke, Elektromagnetische & Schwache Kraft durch Austausch von Eichbosonen Aber: Hypothese des Higgs-Bosons Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

90 Grundlegende Erkenntnisse Symmetrie = mathematischer Schlüssel zur Beschreibung der vier bekannten elementaren Wechselwirkungen Standardmodell der Elementarteilchen (QCD & GSW) beschreiben bekannte Phänomene sehr gut Starke, Elektromagnetische & Schwache Kraft durch Austausch von Eichbosonen Aber: Hypothese des Higgs-Bosons Welche Erkenntnisse kann der LHC bringen? Elementarer Wechselwirkungen bei 10mal kleineren Abständen Higgs oder nicht Higgs! Supersymmetrie? Neue Teilchen (z.b. Dunkle Materie)? Extra-Dimensionen, Hinweise auf Vereinigung mit Gravitation? Das Unerwartete?! Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,

91 Grundlegende Erkenntnisse Symmetrie = mathematischer Schlüssel zur Beschreibung der vier bekannten elementaren Wechselwirkungen Standardmodell der Elementarteilchen (QCD & GSW) beschreiben bekannte Phänomene sehr gut Starke, Elektromagnetische & Schwache Kraft durch Austausch von Eichbosonen Aber: Hypothese des Higgs-Bosons Welche Erkenntnisse kann der LHC bringen? Elementarer Wechselwirkungen bei 10mal kleineren Abständen Higgs oder nicht Higgs! Supersymmetrie? Neue Teilchen (z.b. Dunkle Materie)? Extra-Dimensionen, Hinweise auf Vereinigung mit Gravitation? Das Unerwartete?! spannende Jahre Teilchenphysik am LHC! Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders Samstags-Uni,