Elementarteilchen und wie wir sie bei LHC sehen können · E i t LHC i CERN Manfred Jeitler,...
Transcript of Elementarteilchen und wie wir sie bei LHC sehen können · E i t LHC i CERN Manfred Jeitler,...
Elementarteilchen undund
wie wir sie bei LHCsehen können
Manfred Jeitler
Institut für Hochenergiephysik der
Ö t i hi h Ak d i d Wi h ft
1
Österreichischen Akademie der Wissenschaften
Das Wasserstoffatom
e-PhotonaustauschPhotonaustausch
P+
Gebundener Zustand - Elektromagnetismus
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 2
besteht aus zwei „up“-Quarks und einem „down“-Quark!Der Wasserstoffkern – das Proton
u zw „up Qu u m „ w Qu
uElektrische Ladung 2/3
2/P+
duu
2/3
d- 1/3
Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt!Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen?
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 3
Die starke Kraft (Kernkraft)
3 Farbladungen (Farbe dient hier nur 3 Farbladungen8 Gluonen
(Farbe dient hier nur als anschauliches Analogon)
uu gggMessbare Objekte sind farbneutral sind farbneutral. Es existieren somit keine freien quarks –“confinement”
d
confinement . (Nobelpreis 2004 an D. Gross, H.D. Politzer, and F. Wilczek)
d
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 4
u Pion +2/3
ggg
d 1/3
Drei Bindungsmöglichkeiten: (q q q) = (Proton, Neutron, …)(q q q) = (Antiproton, Antineutron, …)und (q q) = (Pionen, …)
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 5
Antiteilchen:Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige TeilchenHaben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen,aber umgekehrte Ladungen („additive Quantenzahlen“)
e- e+
Elektron Positron
u u
up anti-up
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 6
KräfteKräfteStarke
SchwacheKraft
W- u Z-Bosonen
StarkeKraft
Gluonen
ElektromagnetischeKraft W+
W u. Z Bosonen
gg
KraftPhoton W
Z0gg
W-
Zgggg
ggg
Gravitation – Graviton? extrem schwach im Vergleich zu den anderen drei Kräften
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 7
Gravitation Graviton? extrem schwach im Vergleich zu den anderen drei Kräften,in Beschleunigerexperimenten vernachlässigbar
heutige Situation: das Standardmodell der Elementarteilchen
L d
WechselwirkungenFermionen (Spin ½) Leptonen Quarks
Ladung stark
Starke Kraftg0 +2/3
p Q
e u c t
-1 Elektromagn. Kraft
g
-1/3e d s b
Schwache KraftW, Z
d
schwach
Schwerkraft?d
uu
du
d
schwach
Kräfteteilchen = Bosonen(Spin 1) +1 0
Proton Neutron
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 8
Baryonen Higgs – Boson?h
Das Standardmodell kann n rDas Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das gHiggs-Boson (sonst hätten nämlich die Elementarteilchen keine Masse was im Widerkeine Masse, was im Wider-spruch zur Beobachtung steht). Es wurde allerdings noch nicht gefunden.
Die Suche nach dem Higgs-Teilchen ist daher eine der
9
Peter Higgs vor einem großen Aufgaben der heutigen Physik.
ggLHC-Detektor
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 9
Supersymmetrie
Der Weg zur allumfassenden Theorie?
Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien der Natur
Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird
p pmanifestieren.
g g y gSUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das so genannte Standardmodell) in eine
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 10
größere, umfassendere Theorie einzubetten.
SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch gKaskadenzerfälle aufweisen.
Di h h di i h T il h d Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen - und nach so manchen anderen, vermuteten oder noch völlig unbekannten Erscheinungen - gehört zu den vorrangigen Aufgaben der großen E i t LHC i CERN
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 11
Experimente am LHC im CERN.
Aufbau eines LHC-Experiments (hier: „CMS“)
D h d D k d b lfö d h h lDie verschiedenen Detektoren sind zwiebelförmig ineinandergeschachtelt.
12
CMS: schematischer Aufbau
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 13
Montage der Endkappen
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 1422 Jan 08
Komponenten eines LHC-Experimentes
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 15
Myon-Detektoren
Einbau des „Tracking“-Detektors
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 16
Installation des Strahlrohres
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 17
Installation des „Pixel“Installation des „Pixel“--DetektorsDetektors
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 18
... vor dem Schliessen
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 19
... geschlossen !... geschlossen !
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 20
DANKE FÜR IHREDANKE FÜR IHREAUFMERKSAMKEITAUFMERKSAMKEIT !!AUFMERKSAMKEITAUFMERKSAMKEIT !!
21
EXTRAEXTRA
22
Fragen der Kosmologie an die Teilchenph sik
Teilchenphysik und Kosmologie
Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik: Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie?
Woher kommt die Dunkle Energie?Woher kommt die Dunkle Energie? Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie? Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik
des ganz Kleinen geben – die Elementarteilchenphysik
Dunkle Materie
Atome (Bekannte Materie)
3% Dunkle Materie23%
Dunkle Energie
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 23
Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik(die zur Zeit experimentell untersucht werden)
• Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums?
(die zur Zeit experimentell untersucht werden)
• Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?
• Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse? Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse?
• Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich derGravitation?
• Wie bekommen die Teilchen eine Masse? (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen? Welche Masse hat das Higgs-Teilchen?)
Warum sind die Massen der bekannten Teilchen so unterschiedlich?
• Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie(SUSY) � ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen.
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 24
• Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …)
Das Standardmodell der ElementarteilchenMaterie Antimaterie
c2/3 u t c t-2/3 u
s
dung -1/3 d b s b1/3 d
-eEl.
Lad
0 e 0 ee
--1 e-
e
-
+ +
e++1
Gen.
Gen.
Gen.
Gen.
Gen.
Gen.
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 25
2.
1. 3.
2.
3.
1.
Das Standardmodell ist nun komplett, außer dem ominösen Higgs-Teilchen.
1964 entwickelte der britische Physiker Peter Higgs einen formalen Mechanismus 1964 entwickelte der britische Physiker Peter Higgs einen formalen Mechanismus, durch den zunächst masselose Teilchen durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld (dem Higgs-Feld) massiv werden.
Das Higgs-Boson ist für die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil es – bisher –di i f hst b k t d i t ll k sist t E klä d fü ist i di K ftt il h die einfachste bekannte und experimentell konsistente Erklärung dafür ist, wie die Kraftteilchen eine Masse haben können – denn die grundlegende Theorie erfordert masselose Kraftteilchen, da sie ansonsten mathematisch nicht funktioniert.
Di W nd Z B s n n h b n b s in ht ß M ss !Die W- und Z-Bosonen, haben aber sogar eine recht große Masse!
Der Higgs-Mechanismus erklärt nun, wie eigentlich masselose Kraftteilchen durch Wechselwirkung mit dem Higgsfeld eine Masse erhalten können. Weiter gelingt so die Vereinheitlichung von l ktr m n tisch r und sch ch r W chs l irkun d b id uf nur in rundl nd elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung, da beide auf nur eine, grundlegende
"elektroschwache" Wechselwirkung mit (ursprünglich) lauter masselosen Kraftteilchen zurückgeführt werden können. Da viele spezielle Eigenschaften einer solchen elektroschwachen Wechselwirkung sich experimentell sehr gut bestätigt haben, gilt das Standardmodell mit einem Higgs-Teilchen als durchaus gut abgesichertdurchaus gut abgesichert.
Sollte das Higgs-Teilchen existieren, dann wird es mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit am LHC entdeckt werden!
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 26
g W m
10. September 2008: Erste Teilchen aus dem Beschleuniger
Protonstrahl (~2x109 p) trifft auf Kollimator ~150 m vor dem Detektor
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 27
LHC-Detektoren: Datenraten
Bunch crossing rate: 40Mhz g25ns
20 Kollisionen / crossing = O(Pb/s)20 Kollisionen / crossing = O(Pb/s)
O(100Mb/s) = O(Pb/yr) = 105 DL-DVD/yr
pro Event: 1-2Mb (Tracks, Calo-Daten, etc.)
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 28
Urknall am LHC?
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 29