Meilensteine der Teilchenphysik

Ab ca. 1900Quantenmechanik,Atomphysik

Ca. 1940 … 1950Quantenelektrodynamik

Ca. 1950 … 1965Kerne, Hadronen, Symmetrien,Feldtheorien

Ca. 1965 … 1975Quarkmodell, Eichtheorien

Ca. 1970 … 1983Quantenchromodynamik,elektroschwache Vereinigung -W/Z am SppS (UA1, UA2)-

= h/p Energie T t-1/2

10-10 m 10 eV > 3.105 a

10-15 m MeV-GeV 3 min

10-16 m >> GeV 10-6 s

10-18 m 100 GeV 10-10 s

Meilensteine der Teilchenphysik

e

e

ud

cs

bt

R G B

6 Leptonen

6 Quarks

LEP 19903 FamilienTevatron (CDF, D0) 1994Top-QuarkSuperkamiokande et al. 1998Neutrino-Oszillationen Tevatron (DONUT) 2000-NeutrinoCERN 2000Quark-Gluon-Plasma

10-19 m 1 TeV 10-12 s

10-32 m 1016 GeV 10-32 s

10-35 m 1019 GeV 10-43 s

Grand Unification …?

Superunification, Quantengravitation,..?

CERN-LHC ab 2007Higgs, SUSY, …?

3 Farben / Quark

Offene Fragen der Teilchenphysik

Ursprung und Hierarchie der TeilchenmassenUrsprung und Hierarchie der TeilchenmassenGibt es ein Higgs-Teilchen und was ist seine Masse?

Wie muß das Standardmodell erweitert werden?Wie muß das Standardmodell erweitert werden?Supersymmetrie, Grand Unified Theories, …

Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen?Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen?Gibt es mehr als drei leichte Generationen?Gibt es mehr als drei leichte Generationen?Gibt es schwere Neutrinos?Gibt es schwere Neutrinos?Asymmetrie zwischen Materie und AntimaterieAsymmetrie zwischen Materie und Antimaterie

Stabilität des ProtonsWoraus besteht die dunkle Materie des Kosmos?Woraus besteht die dunkle Materie des Kosmos?Ursprung des quantenchromodynamischen ConfinementUrsprung des quantenchromodynamischen Confinement

Quark-Gluon-PlasmaWie kann die Gravitation eingebunden werden?Wie kann die Gravitation eingebunden werden?

Livingston-Diagramm

Die sukzessive Erhöhung der Strahlenergie beruht auf Fortschritten in der Beschleunigertechnologie. Supraleitende Magneten ermöglichen Proton-Proton-Kollisionen mit Schwerpunktsenergie √s = 14 TeV am LHC.

Parameter des Large Hadron Collider

Proton- ProtonUmfang: 27 kmTeilchenpakete: 3564 + 3564 Protonen / Paket: 1011

Strahlenergie: 2 x 7 TeVLuminosität: 1034 cm-2s-1

Strahlkreuzungsintervall: 25 nsKollisionsrate: 107 … 109 HzFlußdichte der Dipolmagneten: 8.4 TAnzahl der Dipolmagneten: ca. 1200

Schwerionen (Pb-Pb, S-S, etc.)Strahlenergie: bis zu 5.5 TeV/NukleonenpaarLuminosität:1027 cm-2s-1 für Blei3.1031 cm-2s-1 für SauerstoffStrahlkreuzungsintervall: 125 ns

Parton

Pakete

LHC-Beschleunigertechnologie

String-Test für Dipolmagnete

LHC-Beschleunigertechnologie

Supraleitende Hochfrequenzkavität

Wirkungsquerschnitte

Wirkungsquerschnitte für verschiedene Prozesse variieren über viele Größenordnungen

• inelastisch: 109 Hz• W lv: 100 Hz• tt: 10 Hz• Higgs (100 GeV): 0,1 Hz• Higgs (600 GeV): 0,01 Hz

Erforderliche Selektivität 1 : 10 10 - 11

-

Zielsetzungen der LHC-Experimente

Standardmodell-PhysikStandardmodell-PhysikQCD, elektroschwache Theorie (Higgs, W, Z, Top, Jets, …)

SupersymmetrieSupersymmetrieSUSY-Higgsbosonen, andere supersymmetrische Teilchen, ...

Andere Erweiterungen des StandardmodellsAndere Erweiterungen des StandardmodellsCompositeness, Technicolor, Leptoquarks, neue schwere Vektorbosonen, ...

B-PhysikB-Physik CP-Verletzung, B0-B0 Oszillationen, seltene B-Zerfälle, ...

SchwerionenphysikSchwerionenphysikQuark-Gluon-Plasma

Physik bei kleinen WinkelnPhysik bei kleinen Winkeln total, elastische Streuung, Diffraktion

Neue PhänomeneNeue Phänomene

Experimente am LHC

TOTEM

Experimentelle Herausforderungen

Pile-upPile-uptot tot 100 mb, 100 mb, hohe Luminosität -> bis zu 25 p-p-Kollisionen pro Strahlkreuzung, 1000 geladene Teilchen in || < 2.5Konsequenzen für Detektoren:Kleine Signalantwortzeiten (typisch 25 bis 50 ns)Hohe Granularität (> 108 Kanäle)Hohe Strahlungsfestigkeit (Fluß 1017 Neutronen/cm2,Dosisleistung bis zu 107 Gy nach 10 Jahren Betrieb) inStrahlnähe

QCD-UntergrundQCD-UntergrundRate dominiert durch Jet-Produktion (qq -> qq, gg -> qq etc.), daher i.a. in der Praxis nur Zerfälle mit Leptonen und Photonen verwendbar. Ereignisrate daher klein.

Wo ist das Higgs?

18 überlagerte p-p-Kollisionen im inneren Teil des CMS-Trackers, darunter 18 überlagerte p-p-Kollisionen im inneren Teil des CMS-Trackers, darunter 4 Müonspuren von einem Higgszerfall4 Müonspuren von einem Higgszerfall

Hier!

Transversalimpulsschnitt von pTransversalimpulsschnitt von pTT > 2 GeV nach Spurrekonstruktion > 2 GeV nach Spurrekonstruktion

Neutronenfluß in CMS

Neutronen pro cmNeutronen pro cm22 für 5 x 10 pb für 5 x 10 pb-1-1

Dosisleistung in CMS

Dosisleistung in Gy für 5 x 10 pbDosisleistung in Gy für 5 x 10 pb-1-1

Typischer Detektoraufbau

Leichte MateralienLeichte Materalien

Schwere MateralienSchwere Materalien

Schwere MateralienSchwere Materalien(Eisen oder Kupfer + aktives Material)(Eisen oder Kupfer + aktives Material)

Materalien mit hoher Protonen-Materalien mit hoher Protonen-zahl + aktives Materialzahl + aktives Material

Elektromagnetische undElektromagnetische undhadronische Kalorimeterhadronische Kalorimeter•Teilchenidentifikation (e, , Jets, fehlendes ET)•Energiemessung

MüondetektorenMüondetektoren•Müonidentifikation•Impulsmessung

ZentraldetektorZentraldetektor•Spuren•Impulsmessung•Vektor zu elektromagnetischen Schauern•Vertices

Magnetkonfigurationen

Die Magnetkonfiguration bestimmt die Charakteristik eines LHC-Experiments.

ATLASA Toroidal LHC Apparatus

CMSCompact Muon Solenoid

ATLAS-Toroide

Prototyp eines Barrel-ToroidsPrototyp eines Barrel-Toroids(Spitzenflußdichte 3.9 Tesla)(Spitzenflußdichte 3.9 Tesla)

CMS-Solenoid

Modellmaschine zur Herstellung der Spule Magnetjoch

Größtes Solenoid der Welt4 Tesla maximale Flußdichte2.5 GJ gespeicherte Energie

ATLAS-Detektor

CMS-Detektor

CMS-Detektor

Detektoren in ATLAS und CMS

ATLAS CMSMagnete Toroide und zentrales Solenoid (2T)

4 MagnetenSolenoid (4T)1 Magnet

Spurendetektor

Em.Kalorimeter

Silizium (Pixel- und Streifengeometrie)"Transition Radiation"-Detektor zurTeilchenidentifikation/pT ≈ 5 x 104 pT/GeV + 0.01

Bei Füiaro

Siiziu (Pixe udSreieeo erie)

/pT ≈ 1.5 x 104 pT/GeV +0.005

PbWO 4Kriae/E ≈ 10%/√E/GeV + 1% /E ≈ (25)%/√E/GeV + 0.5%

Hadrokaor. EieSziiaor + KuperFüiaro KuperSziiaor + Faer

Müoye

/E ≈ 50%/√E/GeV + 3%

3 SaioeDrika er +Kaodereieka er (Tracki)Reiive Pae Caber +Ti Gap Caber (Trier)

/E ≈ 65%/√E/GeV + 5%

4 SaioeDrika er +Kaodereieka er,Reiive Pae Caber(Tracki + Trier)

Trigger und Datenakquisition

ATLASATLASUniversität Innsbruck: Simulationsstudien (B-Physik, …), Physikanalyse

CMSCMSInstitut für Hochergiephysik der ÖAW:Globaler TriggerprozessorRegionaler + globaler MüontriggerprozessorBau von Modulen und Steuerelektronik des Silizium-Trackers und PixeldetektorsBau von Teilen des Alignment-SystemsSoftware, Simulationsstudien (SUSY, …), Physikanalyse

Neue Mitarbeiter und Studenten (Sommer, Diplomarbeiten, Dissertationen) willkommen!

Österreichische Beiträge zu LHC-Experimenten

And so we say good-bye We hope you have enjoyed the world of particles as much

as we do. We have so much to learn, to increase man’s knowledge and his control over his environment

THE END

B. Southworth, G. Boixader (CERN)