Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik

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1 V 1.0 Seminar SS 2010 RWTH Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik Erdmann, Hebbeker, Stahl, Wiebusch et al. III. Phys. Inst. A+B Elementarteilchenphysik und Astroteilchenphysik Seminarthemen Organisation CERN T.Hebbeker web.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/sem10.html

2 verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält... und die Evolution des Universums CMS/LHC Astroteilchenphysik Elementarteilchenphysik an Beschleunigern Grosse Fortschritte in den letzten Jahren! Crab = SN 1054

3 Heutiges Weltbild der Teilchenphysik Materie: Spin ½ - Fermionen: Leptonen: Quarks: Wechselwirkungen: Spin 1 Eichbosonen: elektroschwach: Photon γ masselos Z-Boson Z 91 GeV W-Boson W + W - 80 GeV stark: Gluon g masselos Gravitation: Graviton G masselos? Higgs?

4 Teilchenphysik und Astrophysik Höchstenergetische Protonen und Neutrinos? Dunkle Energie? Dunkle Materie = Elementarteilchen? Teilchenbeschleuniger untersuchen Prozesse s nach dem Urknall

5 Fundamentale Fragen Teilchenmassen? Higgs-Boson? Ist das Standardmodell der Teilchenphysik ok? Top-Quark Eigenschaften? Neutrinomassen? Ist die Natur supersymmetrisch? Gibt es weitere `neue Teilchen? Dunkle Materie? Dunkle Energie? Hochenergetische Strahlung aus dem Weltall? Neutrinos aus dem Universum?

6 Seminarthemen Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik 1. Übersicht: Das Standardmodell der Teilchenphysik 2. Übersicht: Kosmologie und Astrophysik 3. Irdische Teilchenbeschleuniger 4. Kosmische Teilchenbeschleuniger 5. Teilchendetektoren fuer Beschleunigerexperimente 6. Jets und Quantenchromodynamik 7. Tests der elektroschwachen Wechselwirkung (Gamma,Z,W) 8. Top-Quark-Physik 9. Verletzung von Spiegelsymmetrien? 10. Neutrino-Experimente 11. Ultrahochenergetische kosmische Strahlung 12. Neutrinos aus dem Weltall 13. Woraus besteht die Dunkle Materie? 14. Wie erhalten Teilchen Masse? Das Higgs-Boson. 15 Ist die Welt supersymmetrisch?

7 Das Standardmodell der Teilchenphysik Materie: Spin ½ - Fermionen: Leptonen: Quarks: Teilchen und Wechselwirkungen Berechnungen Tests - Beispiele Feynman Wechselwirkungen: Spin 1 Eichbosonen: elektroschwach: stark: Photon γ masselos Z-Boson Z 91 GeV W-Boson W + W - 80 GeV Gluon g masselos + Higgs?

8 Kosmologie und Astrophysik Zusammensetzung Universum Kosmische Hintergrundstrahlung Struktur des Universums Entwicklung des Weltalls

9 (irdische) Teilchenbeschleuniger p Injektion p Typen von Beschleunigern Funktionsweise moderne Beschleuniger, insbesondere LHC LHC

10 LHC - erste Kollisionsereignisse

11 (kosmische) Teilchenbeschleuniger George Kelvin Beschleunigung auf ev? Wechselwirkung auf dem Wege Ablenkung durch Magnetfelder Krebs-Nebel Milchstrasse

12 Teilchendetektoren Funktionsweisen Spurdetektoren und Kalorimeter moderne Teilchendetektoren, insbesondere am LHC CMS

13 Starke Wechselwirkung (QCD) und Jets Meson = q q Baryon = q q q Quarks, Gluonen, QCD D0 Jets und Jetalgorithmen Tests der QCD

14 ElektroschwacheWechselwirkung: W und Z Bosonen LEP W eν Standardmodell und W, Z Präzisionsmessungen Tevatron

15 Top-Quark Fermilab, 1995 CDF, D0 tt bbqqlν CDF p p 1800 GeV m ~ 175 GeV Schwerstes Elementarteilchen Top-Enteckung Messungen der Top-Masse und anderer Parameter Top-Physik am LHC

16 Verletzung von Spiegelsymmetrien P C P-Verletzg, C-Verletzg. 1964: Kl 0 π π CP-Verletzung = Teilchen-Antiteilchen-Asymmetrie: CP = 1 CP = : B 0 J / ψ K s 0 B J / ψ K s Kaonen, B-Mesonen T-Verletzung Kosmologie

17 Neutrino-Experimente: Massen und Oszillationen! Beschleunigerexperimente ν ν 1 2 Sonnen-Neutrinos Reaktorneutrinos Direkte Massenmessung Oszillationsexperimente Neutrinos und Kosmologie

18 Antarktis Neutrinos aus demweltall 1200 m Neutrinoquellen Neutrinonachweis Detektoren im Meer und im Eis ICE CUBE

19 p Ultrahochenergetische kosmische Strahlung Auger, Argentinien Nachweismethoden Energiespektrum Herkunft? Teleskope (Flluoreszenzlicht) Wasser-Tanks (geladene Teilchen)

20 Dunkle Materie? Nachweis: Gravitation! Rotationsgeschwindigkeiten zeigen: viel mehr Masse als sichtbar! Nachweis Dunkler Materie Dunkle Materie und Kosmologie Suche nach Teilchen der Dunklen Materie

21 Das Higgs-Boson Standardmodell verlangt: Alle Teilchen sind masselos! Ausweg: zusätzliches Teilchen: Higgs: neutral, instabil, Masse unbekannt Problem der Massen Higgs-Mechanismus Suche nach dem Higgs CMS bisherige experimentell Grenze: M > 115 GeV EXPERIMENTUM CRUCIS

22 Supersymmetrie? Materieteilchen: Spin ½ Austauschteilchen: Spin 1 = Dunkle Materie? SUSY-Modelle Was kann man damit verstehen? Suche nach supersymmetrischen Teilchen

23 Organisation Vorkenntnisse: - Elementarteilchenphysik hilft, aber nicht notwendig - Niveau der Vorträge wird entsprechend angepasst Betreuung: - Betreuer(in) wird nach Themenwahl zugeordnet - Mehrere Termine: Anleitung/Diskussion/Probevortrag Seminartermin: Dienstag 14:00, Physikzentrum Raum 26C201 Ablauf: - Vortrag: max. 50 Minuten plus Diskussion - Alle Beteiligten kommen zu allen Vorträgen! Ausarbeitung: ca.10 Seiten Text + Bilder, nach dem Vortrag anzufertigen Infos:

24 Seminarthemen VORSCHLAG 1. Übersicht: Das Standardmodell der Teilchenphysik 2. Übersicht: Kosmologie und Astrophysik 3. Irdische Teilchenbeschleuniger 4. Kosmische Teilchenbeschleuniger 5. Teilchendetektoren fuer Beschleunigerexperimente 6. Jets und Quantenchromodynamik 7. Tests der elektroschwachen Wechselwirkung (Gamma,Z,W) 8. Top-Quark-Physik 9. Verletzung von Spiegelsymmetrien? 10. Neutrino-Experimente 11. Ultrahochenergetische kosmische Strahlung 12. Neutrinos aus dem Weltall 13. Woraus besteht die Dunkle Materie? 14. Wie erhalten Teilchen Masse? Das Higgs-Boson. 15 Ist die Welt supersymmetrisch?