Der LHC Neue Dimension[en] in der Teilchenphysik Die Weltmaschine Darmstadt, August 2011 Hans-Christian Schultz-Coulon Kirchhoff-Institut für Physik, Universität Heidelberg
1 Der LHC Der Ring und seine Experimente
Der LHC Der Herr der Ringe 1 CMS LHCb ALICE ATLAS
Der LHC Der Herr der Ringe 1 Blick in den LHC Tunnel [100 m tief; 27 km lang]
Der LHC Der Herr der Ringe 1
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. 1200 [Feld: bis 8.3 T] [Temperatur: 1.9 K] [Gespeicherte Energie: 9.2 GJ]
ATLAS Das Riesenmikroskop 1 Höhe : 25 m Länge : 46 m Gewicht : 7000 t
Unsichtbares sichtbar machen Wie man Teilchen und Teilchenreaktionen nachweist 1 Blasenkammer
Unsichtbares sichtbar machen Wie man Teilchen und Teilchenreaktionen nachweist 1
2 Der LHC Einblick in die Teilchenwelt
Das Standardmodell Wie die Teilchenphysiker die Welt sehen 2
Datennahme Einblick in den ATLAS-Kontrollraum 2
Datennahme Einblick in den ATLAS-Kontrollraum 2
Datennahme Einzelne Teilchenkollisionen 2 [ http://atlas-live.cern.ch ]
Datennahme Einzelne Teilchenkollisionen 2 [ http://atlas-live.cern.ch ]
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
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) 105 120 135 m γγ (GeV)
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) 105 120 135 m γγ (GeV)
Datenanalyse Suche nach dem Higgs-Teilchen 2 Events / 2 GeV 20000 17500 Simulation H γγ Ereignissignatur [Schematisch] 15000 12500 10000 105 120 135 m γγ (GeV) Invariante Masse: 2 mγγ = 2 E1E2 (1 cosϑ)
Datenanalyse Suche nach dem Higgs-Teilchen 2 Events / 2 GeV 20000 17500 Simulation Possible signal H γγ Ereignissignatur [Schematisch] 15000 12500 Invariante Masse: signal region 2 mγγ = 2 E1E2 (1 cosϑ) 10000 105 120 135 m γγ (GeV)
Datenanalyse ATLAS Resultat H γγ [August 2011] 2 ATLAS Suche nach H γγ Lepton-Photon Konferenz 2011
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 = 1.0-2.3 fb s = 7 TeV 1-1 10 200 300 400 500 600 m H [GeV] (a)
3 Der LHC Neue Physik, neue Dimensionen? [Bullet Cluster Evidenz für Dunkle Materie]
Woraus besteht das Universum? Dunkle Materie und dunkle Energie... 3 Dunkle Materie [Unbekannt] ca. 25% Baryonen [Bekannt] ca. 5% ca. 70% Dunkle Energie [Mystisch]
Dunkle Materie Evidenz durch astronomische Beobachtungen 3
Supersymmetrie Kandidat für dunkle Materie? 3 Bekannte Teilchenwelt Leichtestes SUSY Teilchen [Kandidat für Dunkle Materie] Supersymmetrische Teilchen
Supersymmetrie Kandidat für dunkle Materie? 3 E T,miss Ereigniskandidat [Jets + fehlende Energie]
Datenanalyse ATLAS SUSY Resultat [August 2011] 3 Daten Spezielle SUSY-Signatur [b-jet Signatur] SUSY Vorhersage SM Erwartung Bisher keine Anzeichen!
Kleines schwarzes Loch Gibt es so etwas wirklich am LHC? 3 Mini Black Hole Simulation
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 10-5 10-10 10-20 10-40 [Nach: http://swen44.de/pic/geo/grundkraefte.jpg] Radioaktivität Schwache Kraft Gravitation 10-15 10-10 10-5 10-60 Gravitation Schwerkraft Quark Proton Atomkern xyz Abstand Atom
Extra Dimensionen Eine Lösung für das Hierarchieproblem? 3 Schwerkraft [lebt in allen Raumdimensionen] Schwerkraft Unser 3D-Universum Extra Raumdimension
Kleine schwarze Löcher Man braucht extra Raumdimensionen... 3 Gravitationskraft in 4 Dimensionen r=r Gravitationskraft [willkürliche Einheiten] 10 10 1 r 3 Graviation durch Extra-Dimension stark... [allerdings nur bei kleinen Abständen...] 1 r 2 5 5 Newtonsches Gravitationsgesetz R: Ausdehnung der Extra-Dimension 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 1.5 r/r
Kleine schwarze Löcher Produktion und direkter Zerfall am LHC 3 Gravitonen SM Teilchen Proton Proton Mikroskopisches schwarzes Loch
Kleine schwarze Löcher Erwartete Ereignissignatur 3 Demokratischer in Standardmodellteilchen [Emparan et al., hep-th/0003118] 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...
Datenanalyse ATLAS Multiobjekt Resultat [Juni 2011] + + 3 Ereignisse 2 10 10 1-1 10 Ereignisse mit zwei gleichgeladenen Muonen ATLAS Preliminary s= 7 TeV, L dt = 31 pb 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-1 Data Standard Model µ+fake tt bb M TH =3 TeV Anzahl Spuren Bisher keine Anzeichen für kleine schwarze Löcher!!
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.