Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien
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- Oskar Hochberg
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1 V 1.1 Seminar WS 2006/07 RWTH Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien Erdmann, Feld, Hebbeker, Hoepfner, Kappler, Klein, Kreß, Meyer, Pooth, Weber Elementarteilchenphysik Hadron-Kollider-Experimente Seminarthemen Organisation CERN
2 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?
3 Teilchenphysik und Astrophysik Dunkle Materie = Elementarteilchen? Teilchenbeschleuniger untersuchen Prozesse s nach dem Urknall
4 Fundamentale Fragen Teilchenmassen? Higgs-Boson? Gibt es Korrekturen zum Standardmodell? Ist die Natur supersymmetrisch? Gibt es weitere Fermionen oder Eichbosonen? Verstehen wir die Gravitation? Dunkle Materie?...
5 Methoden der experimentellen Teilchenphysik Werkzeuge: Teilchenbeschleuniger Teilchendetektoren Unschärferelation: Ortsauflösung ~ 1/ E Studium der Kräfte bei hohen Energien Neue schwere Teilchen (Masse m) HOHE ENERGIE! Tevatron am besten erreichbar mit (Anti-)Proton-Beschleunigern pp GeV LHC pp GeV
6 Hadron-Kollider-Experimente Fermilab CERN Tevatron (CDF, D0) 2 TeV Paradigmen wechsel! 14 TeV LHC (Atlas, CMS ) Large Hadron Collider
7 Seminarthemen VORSCHLAG 1. Einführung: Teilchenbeschleuniger 2. Einführung: Teilchendetektoren 3. Einführung: Das Standardmodell der Teilchenphysik 4. Tevatron-Beschleuniger und Detektoren 5. LHC-Beschleuniger und Detektoren 6. Tests der elektroschwachen Wechselwirkung (γ,z,w) 7. Untersuchungen zur starken Wechselwirkung (g) 8. Physik mit Bottom-Teilchen 9. Top-Quark-Physik 10. Wie erhalten Teilchen Masse? Das Higgs-Boson 11. Ist die Welt supersymmetrisch? Dunkle Materie? 12. Extra-Raumdimensionen und schwarze Löcher? 13. LHC- Computing
8 Teilchenbeschleuniger p Injektion p
9 Teilchendetektoren
10 Das Standardmodell der Teilchenphysik Materie: Spin ½ - Fermionen: Leptonen: Quarks: Feynman Wechselwirkungen: Spin 1 Eichbosonen: elektroschwach: stark: Photon γ masselos Z-Boson Z 91 GeV W-Boson W + W - 80 GeV Gluon g masselos
11 Die Tevatron-Experimente CDF Tevatron = TeV Beschleuniger z.zt. größter Beschleuniger pp 2TeV CDF
12 Die LHC-Experimente Atlas Proton-Proton s = 14TeV 9 km
13 ElektroschwacheWechselwirkung: W und Z Bosonen W eν Austauschteilchen der schwachen Kraft entdeckt am CERN 1983 W, Z Z μμ Genaue Massenmessungen: Relationen im Standardmodell: Test!
14 Starke Wechselwirkung (QCD) Quarks tragen Farbe Austauschteilchen = Gluon Isolierte Quarks gibt es nicht! Beobachtbar sind nur farbneutrale Kombinationen Meson = q q Baryon = q q q Gluon =Farbe+Antifarbe Beispiel: D0 Beobachtbar: Jets = Hadronbündel
15 Masse = 4.5 GeV Bottom-Physik Wirkungsquerschnitt Lebensdauern (~ ps)? Detektor B 0 -Teilchen-Antiteilchen-Oszillationen: Flugstrecke ~ mm μ + X μ + X Top! + μ + X Lebenszeit Oszillationen sehr schnell gute Zeit/Orts-Auflösung!
16 Fermilab, 1995 CDF, D0 Top-Quark tt bbqql ν CDF p p 1800 GeV m ~ 175 GeV Top = schwerstes bekanntes Elementarteilchen Gleiches Verhalten wie leichte Quarks? Genau Massenmessung erlaubt Vorhersage des Higgsmassenbereichs
17 Das Higgs-Boson Standardmodell verlangt: Alle Teilchen sind masselos! Ausweg: zusätzliches Teilchen: Higgs: neutral, instabil, Masse unbekannt bisher experimentell nicht gefunden: M > 115 GeV Hauptziel Des LHC! CMS EXPERIMENTUM CRUCIS
18 Supersymmetrie Materieteilchen: Spin ½ Austauschteilchen: Spin 1 Postulat: Es gibt eine Supersymmetrie zwischen Fermionen und Bosonen: Zu jedem Teilchen existiert Partner mit Spindifferenz ½ Beispiele: Suchen am Tevatron und am LHC Verbindung zur Astrophysik: Photino = Neutralino = Dunkle Materie?
19 Zusätzliche Raumdimensionen? Graviton 3D Idee: Gravitonen existieren in höherdimensionalem Raum -> Gravitation erscheint schwach! jet Mini- Schwarzes Loch unsichtbar ATLAS
20 LHC-Computing Datenaufkommen gigantisch! LHC-Detektor Monte Carlo-Simulation Teilchen /s 500 GBit/s DAQ Trigger ~ 100 Hz a 1 Mbyte Minute/ Ereignis /PC ~ 50 Hz a 2 Mbyte GRID Weltweit vernetzte Rechenzentren aus insgesamt Tausenden von PCs
21 Organisation Vorkenntnisse: Elementarteilchenphysik hilft, aber nicht notwendig Betreuung: - Betreuer(in) wird nach Themenwahl zugeordnet - Mehrere Termine: Anleitung/Diskussion/Probevortrag Seminartermin: Dienstag 8:30, Physikzentrum Raum 26C201 Ablauf: - Vortrag max 1 h + ca.15 min Diskussion - Alle Beteiligten kommen zu allen Vorträgen! Ausarbeitung: ca.10 Seiten Text, nach dem Vortrag anzufertigen Infos:
22 Seminarthemen VORSCHLAG 1. Einführung: Teilchenbeschleuniger 2. Einführung: Teilchendetektoren 3. Einführung: Das Standardmodell der Teilchenphysik 4. Tevatron-Beschleuniger und Detektoren 5. LHC-Beschleuniger und Detektoren 6. Tests der elektroschwachen Wechselwirkung (γ,z,w) 7. Untersuchungen zur starken Wechselwirkung (g) 8. Physik mit Bottom-Teilchen 9. Top-Quark-Physik 10. Wie erhalten Teilchen Masse? Das Higgs-Boson 11. Ist die Welt supersymmetrisch? Dunkle Materie? 12. Extra-Raumdimensionen und schwarze Löcher? 13. LHC- Computing
23 Seminarthemen ENDGÜLTIG 1. Einführung: Teilchenbeschleuniger 2. Einführung: Teilchendetektoren 3. Einführung: Das Standardmodell der Teilchenphysik 4. Tevatron-Beschleuniger und Detektoren 5. a) LHC-Beschleuniger b) LHC-Detektoren 6. Tests der elektroschwachen Wechselwirkung (γ,z,w) 7. Untersuchungen zur starken Wechselwirkung (g) 8. Physik mit Bottom-Teilchen 9. Top-Quark-Physik 10. Wie erhalten Teilchen Masse? Das Higgs-Boson 11. Ist die Welt supersymmetrisch? Dunkle Materie? 12. Extra-Raumdimensionen und schwarze Löcher? 13. a) LHC- Computing Teil A b) LHC- Computing Teil B
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