CERN und die Suche nach dem rätselhaften Higgs-Teilchen H Emmerich Kneringer Institut für Astro- und Teilchenphysik, Uni Innsbruck Mitglied des ATLAS Experimentes, CERN, Genf Masterclasses, Innsbruck 14. März 2014
Aktuell 10. Dezember 2013, Stockholm Verleihung des Nobelpreis für Physik für die Vorhersage des Higgs-Teilchens Video Verleihung Video Interview 4. Juli 2012, CERN Öffentliche Ankündigung der Entdeckung des Higgs-Teilchens 2
Higgs Signal statistische Signifikanz (6 sigma)
1) CERN Inhaltsangabe Was machen denn die da am CERN? 2) Elementarteilchen Systematik 3) Die Suche nach dem Higgs-Teilchen Warum? Wer? Wie? 4) Beschleuniger E = mc 2 5) Detektoren Analogie Digitalkamera 6) Ergebnisse 4
1) Was machen denn die da am CERN?
Teilchenphysik ist in den Medien immer wieder präsent, speziell durch CERN = europäisches Zentrum für Teilchenphysik Was machen denn die da so?
Teilchenphysik ist in den Medien immer wieder präsent, speziell durch CERN = europäisches Zentrum für Teilchenphysik Was machen denn die da so? Antimaterie? Mikroskopisch kleine Schwarze Löcher? Neue Teilchen entdecken? Überlichtschnelle Neutrinos erzeugen? Neutrinos haben vor ca. zwei Jahren öffentliche Aufmerksamkeit erregt, als bekannt wurde, dass sie auf der unterirdischen Rennstrecke CERN Gran Sasso schneller als erlaubt unterwegs waren.
CERN Gran Sasso OPERA experiment: Neutrinos sind ca. 60 ns schneller als Licht. 8
Mikroskopisch kleine Schwarze Löcher? 9
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2) Elementarteilchen Quarks mit Farbe und Geschmack
Die alten Griechen Grundbausteine? Atome! 12
Reise zu den Elementarteilchen 13
Das Proton ist kein Elementarteilchen! 14
Systematik der Elementarteilchen Vergleich: 1995 Mendelejew 1869 erstes Teilchen das entdeckt wurde 2000 Nur Teilchen der 1. Familie sind stabil! Die ganze stabile Materie besteht nur aus 3 elementaren Bausteinen. e s u u u d d d c c c s e s t t b b b t 15
Kräfte werden durch Austauschteilchen vermittelt Gemeinsame Beschreibung als Quantenobjekte! Diese Austausch-Teilchen halten die Welt im Kleinsten zusammen. 16
4 fundamentale Wechselwirkungen Wechselwirkung = Austausch von Boten = Kraft n p n n n p n p n n p p p n p q q W schwächste 'Kraft, im Mikrokosmos völlig unbedeutend 17
Higgs-Feld vs. Higgs-Teilchen Die Masse der elementaren Teilchen ist eine Konsequenz der Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld, das laut Theorie das ganze Vakuum ausfüllt. Das Higgs-Teilchen selbst ist eine Anregung dieses Feldes (aber nicht das Feld selber). schematisch: Higgs-Feld Wechselwirkungen 18
Higgs-Feld vermittelt Masse masselos W Z d c u s b e t W ±, Z Tau Myon Elektron Masse ~ Energie t-quark b-quark c-quark u,d,s Quarks 1 TeV 1 GeV 1 MeV 19
Higgs-Teilchen sehr instabil, zerfällt sofort Achtung: Neben dem Higgs-Teilchen gibt es noch ein Higgs-Feld! 20
3) Die Suche nach dem Higgs-Teilchen H
Sind Sie schon vertraut mit dem Higgs Boson? 11. Oktober 2012: und nun ist er [P. Higgs] auf dem besten Weg den Nobelpreis zu erhalten. 22
Higgs Suche Warum? Wer? Wie? Etwas Theorie 23
Warum suchte man nach dem Higgs-Teilchen? Weil theoretische Physiker es für Ihre Theorien brauchten!!! Man brauchte einen Mechanismus, der den W- und Z-Teilchen Masse gab! Theorien ohne Higgs-Teilchen hatten schwerwiegende theoretische Probleme. Diese Theorien waren z.t. unberechenbar, weil genauerer Rechnungen (höherer Ordnung) immer wieder als Ergebnis lieferten!
Was sind denn das für Theorien, dass man den Physikern ein Spielzeug (= Beschleuniger) um 1 Milliarde hinstellt? Eichtheorien (eine Art Vorläufer der Weltformel) 25
Die Theoretiker dazu: The Gang of Six Brout Englert Guralnik Hagen Higgs Kibble
Die Gewinner Brout Englert Guralnik Hagen Higgs Kibble
Nobelpreis 28
Wer hat nach dem Higgs Teilchen gesucht? Viele Experimente! Aber eben erfolglos. U.a. auch ich mehrere Jahre lang als PostDoc beim ALEPH Experiment.
Wer hat das Higgs Teilchen gefunden? H 2 Experimente! Ich erzähle von dem einen, an dem ich beteiligt bin, dem ATLAS Experiment.
The boss
Bürogebäude am CERN
ATLAS Detektor Durchmesser Länge Gesamtgewicht 25 m 46 m 7000 t
ATLAS Experiment
Wie? Theorie des Higgs Higgs-Feld verleiht Elementarteilchen ihre Masse Eigene Masse m H aber unbekannt Kein Drehimpuls (Spin = 0, Boson) Sehr instabil (zerfällt praktisch sofort) Verschiedene Zerfallsmöglichkeiten 1. H 2 Photonen 2. H 2 Z-Teilchen Z e+ e Z + Man muss im Detektor gut nachweisen können: Photonen Elektronen Myonen 35
Higgs-Teilchen zerfällt in Z + Z 36
Ein Higgs Teilchen im ATLAS Detektor + Simuliertes Ereignis In dieser Kollision wurde ein Jet von Teilchen erzeugt, der nach unten fliegt, das Higgs Teilchen wurde mit einem Impuls nach oben produziert, aber es zerfällt praktisch sofort: H Z + Z Z e + e + Z + + e + e Jet 37
Wie findet man ein neues Teilchen? Man macht einen Hypothesentest Null-Hypothese Das Teilchen existiert in den Daten nicht Alternative Hypothese Die Daten enthalten das neue Teilchen Frage: Mit welcher Hypothese stimmen die Daten besser überein?
Was braucht man für die Higgs-Suche? a) Beschleuniger E = mc 2 b) Experiment Detektor um Kollisionspunkt Datenselektion (=Trigger) Teilchenidentifikation c) Große Rechenleistung d) Theorie Zur Interpretation der Messungen H
4) Beschleuniger
Mont Blanc Genfer See Beschleuniger Name: LHC (Large Hadron Collider) Umfang: 27 km CERN Tunnel
LHC: der große Hadronenbeschleuniger Proton- Proton Collider 4 TeV + 4 TeV 1,000,000,000 Proton-Proton-Kollisionen/Sekunde 1 ev =? kev 10 3 MeV 10 6 GeV 10 9 TeV 10 12 42
Beschleunigungs- kavitäten E (t) Strahlrichtung
Einmal Beschleunigung 44
Linear-Beschleunigunger 45
Kreis-Beschleunigunger 46
Bauteile eines Kreisbeschleunigers Experiment: Kollisionen Quadrupol Magnete: Fokussierung Dipol Magnete: RF-Kavitäten: Ablenkung Beschleunigung 47
Was passiert bei Kollisionen? Tausche Energie gegen Masse! (E = mc 2 ) Prinzip der Erzeugung neuer Teilchen! Kollision einmal klassisch und einmal in der Welt der Elementarteilchen: 48
Materie aus Energie neue Materie 1 2 Bewegungsenergie 5 cm 2 x 2800 Protonpakete 16 µm 100 Milliarden Protonen (= 10 11 ) 49
Ein Higgs-Zerfall in 4 Myonen Video
5) Detektoren Wie untersucht man Kollisionen von Elementarteilchen?
Detektor rundherum 52 52
Spuren vermessen 53
Vergleiche: Space Shuttle Columbia 2003 beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre explodiert 54
Erste Kollisionen am 23.11.2009 55
ATLAS = schnelle Digitalkamera 40 Millionen Bilder pro Sekunde werden geschossen 39 999 800 schlechte Bilder werden sofort aussortiert Wie geht das??? Trigger (dreistufig) die 200 restlichen Bilder/Sekunde werden gespeichert 1 Bild hat komprimiert 2 MB 0.4 GB pro sec = 3.2 Gbit/s» muss Netzwerk und SpeicherServer im Dauerbetrieb schaffen Kamera ist typ. 10 Stunden in Betrieb 15 TB an Daten dann mindestens 1 h Pause 56
Nadel im Heuhaufen Erzeugung des Higgs-Teilchens 10 Milliarden Proton-Proton Kollisionen notwendig für 1 Higgs-Teilchen 1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde machbar alle 10 Sekunden ein Higgs-Teilchen, also einige 1000 pro Tag Die Schwierigkeit ist die Auswahl 1:10 10 57
Typisches Detektor Konzept Kombiniere verschiedene Detektortypen/ Technologien in einem großen Detektorsystem Wechselwirkungspunkt Vertex Detektor Spur Detektor Magnet (Zwiebel-) schalenförmiger Aufbau
Elektron
Photon
Proton
Anti-Myon ( + )
Elektron e - Photon g Hadron, zb. Proton p Myon - Meson K 0
Erkennungsmatrix Spur-Detektor Elektromag. Kalorimeter Elektron x x Photon x Hadronisches Kalorimeter Myonsystem Proton x x x Myon x x x x x deutliches Signal x stoppt 64
6) Ergebnisse 4. Juli 2012 Öffentiche Ankündiggung der Entdeckung eines Teilchens, das so aussieht, wie das lang gesuchte Higgs-Teilchen!
Higgs Entdeckung am LHC 2012! ATLAS Simulation (1999) CMS Experiment (2012) H gg H 125 GeV Histogramm der invarianten Mass von Photonpaaren (Simulation links und echte Daten rechts). 66
Generaldirektor des CERN (R. Heuer) I think, we have it! 67
H 2 Photonen Kombiniere in jedem Kollisionsereignis immer zwei hochenergetische Photonen: Mehrere Kombinationen pro Ereignis sind möglich. Berechne das Massenäquivalent der beiden Photonen: Das entspricht der Masse des Higgs-Teilchens, falls die beiden Photonen aus einem Higgs-Zerfall stammen. Falls nicht, dann ist das ein zufälliger Wert, meist verschieden von der Masse des Higgs-Teilchens. Fülle alle Werte in ein Histogramm ein: Untersuche, ob es im Histogramm einen signifikanten Buckel gibt! 68
1. Beweis: H 2 Photonen 69
2. Beweis: H e- und -Paare 70
3. Beweis: 2 unabhängige Experimente Konferenz, Juli 2013 71
Logik Es wurde immer wieder die Frage gestellt: Ist das nun das gesuchte Higg-Teilchen? Dazu eine Analogie: Ich sehe aus der Ferne jemanden, der so aussieht wie mein Bruder. Frage: Ist es auch mein Bruder? Antwort: Das muss ich mir genauer ansehen! 72
Chronologie 1964: Peter Higgs schlägt das Teilchen vor 1984: Planungsbeginn des LHC Beschleunigers 1992: Innsbruck steigt beim ATLAS Experiment ein 2001: ALEPH findet das Higgs NICHT Auch ich habe 2 Jahre lang vergeblich gesucht ( 95-97). 2009: LHC und ATLAS starten 2011: Erste Anzeichen 2012: Ankündigung der Entdeckung eines neuen Teilchens 2013: Die Eigenschaften passen! Nach 49 Jahren wurde die Theorie bestätigt Nobelpreis 73
Danke für Ihre Aufmerksamkeit 74