Der LHC. Neue Dimension[en] in der Teilchenphysik. Die Weltmaschine Darmstadt, August 2011

Transkript

1 Der LHC Neue Dimension[en] in der Teilchenphysik Die Weltmaschine Darmstadt, August 2011 Hans-Christian Schultz-Coulon Kirchhoff-Institut für Physik, Universität Heidelberg

2 1 Der LHC Der Ring und seine Experimente

3 Der LHC Der Herr der Ringe 1 CMS LHCb ALICE ATLAS

4 Der LHC Der Herr der Ringe 1 Blick in den LHC Tunnel [100 m tief; 27 km lang]

5 Der LHC Der Herr der Ringe 1

6 Der LHC Der Herr der Ringe 1 Detektor Protonenstrahlen od. Ionenstrahlen Protonpackete [Anzahl 2808] Protonkollision [10 9 pro Sekunde] Parton-Parton Wechselwirkung Neue Physik? Schwerpunktsenergie: s = 7 TeV [ Masse von 7000 Protonen] [später: 14 TeV] Dipole: ca [Feld: bis 8.3 T] [Temperatur: 1.9 K] [Gespeicherte Energie: 9.2 GJ]

7 ATLAS Das Riesenmikroskop 1 Höhe : 25 m Länge : 46 m Gewicht : 7000 t

8 Unsichtbares sichtbar machen Wie man Teilchen und Teilchenreaktionen nachweist 1 Blasenkammer

9 Unsichtbares sichtbar machen Wie man Teilchen und Teilchenreaktionen nachweist 1

10 2 Der LHC Einblick in die Teilchenwelt

11 Das Standardmodell Wie die Teilchenphysiker die Welt sehen 2

12 Datennahme Einblick in den ATLAS-Kontrollraum 2

13 Datennahme Einblick in den ATLAS-Kontrollraum 2

14 Datennahme Einzelne Teilchenkollisionen 2 [ ]

15 Datennahme Einzelne Teilchenkollisionen 2 [ ]

16 Datenanalyse Suche nach dem Higgs-Teilchen 2 Beispiel: H γγ E1 Photon 1 ϑ Higgs H γγ Ereignissignatur [Schematisch] Photon 2 Invariante Masse: 2 mγγ = 2 E1E2 (1 cosϑ) E2

17 Datenanalyse Suche nach dem Higgs-Teilchen 2 Events / 2 GeV 4 3 Simulation H γγ Ereignissignatur [Schematisch] 2 1 kein Higgs? Higgs? Invariante Masse: 2 mγγ = 2 E1E2 (1 cosϑ) m γγ (GeV)

18 Datenanalyse Suche nach dem Higgs-Teilchen 2 Events / 2 GeV 4 3 Simulation H γγ Ereignissignatur [Schematisch] 2 1 Invariante Masse: 2 mγγ = 2 E1E2 (1 cosϑ) m γγ (GeV)

19 Datenanalyse Suche nach dem Higgs-Teilchen 2 Events / 2 GeV Simulation H γγ Ereignissignatur [Schematisch] m γγ (GeV) Invariante Masse: 2 mγγ = 2 E1E2 (1 cosϑ)

20 Datenanalyse Suche nach dem Higgs-Teilchen 2 Events / 2 GeV Simulation Possible signal H γγ Ereignissignatur [Schematisch] Invariante Masse: signal region 2 mγγ = 2 E1E2 (1 cosϑ) m γγ (GeV)

21 Datenanalyse ATLAS Resultat H γγ [August 2011] 2 ATLAS Suche nach H γγ Lepton-Photon Konferenz 2011

22 Datenanalyse ATLAS Higgs-Ausschluss [August 2011] 2 95% CL Limit on σ/σ SM 10 ATLAS Preliminary Observed Expected ± 1 σ ± 2 σ CLs Limits -1 Ldt = fb s = 7 TeV m H [GeV] (a)

23 3 Der LHC Neue Physik, neue Dimensionen? [Bullet Cluster Evidenz für Dunkle Materie]

24 Woraus besteht das Universum? Dunkle Materie und dunkle Energie... 3 Dunkle Materie [Unbekannt] ca. 25% Baryonen [Bekannt] ca. 5% ca. 70% Dunkle Energie [Mystisch]

25 Dunkle Materie Evidenz durch astronomische Beobachtungen 3

26 Supersymmetrie Kandidat für dunkle Materie? 3 Bekannte Teilchenwelt Leichtestes SUSY Teilchen [Kandidat für Dunkle Materie] Supersymmetrische Teilchen

27 Supersymmetrie Kandidat für dunkle Materie? 3 E T,miss Ereigniskandidat [Jets + fehlende Energie]

28 Datenanalyse ATLAS SUSY Resultat [August 2011] 3 Daten Spezielle SUSY-Signatur [b-jet Signatur] SUSY Vorhersage SM Erwartung Bisher keine Anzeichen!

29 Kleines schwarzes Loch Gibt es so etwas wirklich am LHC? 3 Mini Black Hole Simulation

30 Elementarkräftevergleich Warum ist die Gravitation so schwach? 3 Vier Grundkräfte: Elektromagnetische Kraft Elektrizität & Magnetismus Starke Kraft Kernkraft Stärke ev schwache Kraft elektromagnetische Kraft starke Kraft [Nach: Radioaktivität Schwache Kraft Gravitation Gravitation Schwerkraft Quark Proton Atomkern xyz Abstand Atom

31 Extra Dimensionen Eine Lösung für das Hierarchieproblem? 3 Schwerkraft [lebt in allen Raumdimensionen] Schwerkraft Unser 3D-Universum Extra Raumdimension

32 Kleine schwarze Löcher Man braucht extra Raumdimensionen... 3 Gravitationskraft in 4 Dimensionen r=r Gravitationskraft [willkürliche Einheiten] r 3 Graviation durch Extra-Dimension stark... [allerdings nur bei kleinen Abständen...] 1 r Newtonsches Gravitationsgesetz R: Ausdehnung der Extra-Dimension r/r

33 Kleine schwarze Löcher Produktion und direkter Zerfall am LHC 3 Gravitonen SM Teilchen Proton Proton Mikroskopisches schwarzes Loch

34 Kleine schwarze Löcher Erwartete Ereignissignatur 3 Demokratischer in Standardmodellteilchen [Emparan et al., hep-th/ ] Hohe Multiplizität [20 und mehr Teilchen im Endzustand] Sphärische Topologie [Teilchenabstrahlung in alle Richtungen] Fehlende Energie [Gravitonabstrahlung in Extra-Dimension] Leptonen [Elektronen & Muonen mit hoher Energie] Suche nach Multiobjektzuständen + Leptonen...

35 Datenanalyse ATLAS Multiobjekt Resultat [Juni 2011] Ereignisse Ereignisse mit zwei gleichgeladenen Muonen ATLAS Preliminary s= 7 TeV, L dt = 31 pb Data Standard Model µ+fake tt bb M TH =3 TeV Anzahl Spuren Bisher keine Anzeichen für kleine schwarze Löcher!!

36 4 Schluss... Nichts Neues vom LHC? Bisher keine Anzeichen für etwas Neues... Eine Vielzahl interessanter Messung vor allem für Experten! Aber wir sind auch immer noch am Anfang.