Physik bei HERADie Experimente H1 und ZEUS

Thomas Schörner-Sadenius

Uni HH, 17. Februar 2005Fortgeschrittenenpraktikum

UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 2

Übersicht

• Grundlagen der Physik bei HERA• Warum ist HERA-Physik spannend?• DESY und seine Infrastruktur

HERA +Physik

H1 undZEUS

• Übersicht über die Experimente• Internationale Kollaborationen• Arbeitsorganisation

Als Student

• Warum Diplomarbeit in HEP? Bei HERA?• Was kann man als Diplomand tun?

– Physik, Hardware, Software

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Elektron-Proton-StreuungDas Proton – ein komplexes Objekt

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Elektron-Proton-StreuungDas Elektron als “Sonde”

Ee = 27.5 GeV

Ep = 920 GeV[before 1998: 820 GeV] Tiefunelastische Streuung (DIS):

Q2 > 0 GeV2.

Photoproduktion: Q2 = 0 GeV2

p=xP

P

Q2=-q2=-(k-k’)2

Proton

k’(e±,)k Lepton (e±)

y=Q2/sx: Inelastizität[s=Schwerpunktsenergie]

x=Q2/2Pq: Anteil des Quarksam Protonimpuls (Bjorken-x)

Q2: Viererimpuls-Transfer[Auflösung ~1/Q]

,Z,W

neutral current - echarged current -

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Ein typisches Ereignis in H1dargestellt im “Event-Display”

H1-NC-DIS-Ereignis[Q2=4EeEe’cos2(/2)]

Gestreutes e±

Gestreutes Quark

ProtonLepton

Spurkammern

Kalorimeter

Struktur des Protons EM und schwache WW QCD Neue Physik

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Elektron-Proton-StreuungVerdeutlichung von x und Q2

Q~1/=1/AuflösungQ2 hoch kleinere Strukturen

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Dynamik im Proton unter der LupeVoll das Leben - Gluonen!

),(2

~ 2242

2

QxFxQdxdQ

d

F2 beschreibt dynamischeStruktur des Protons

Q2: (Impulsübertrag)2 von e auf p [~1/Q]

[ QPM: F2(x) = eq2 xq(x) ]

Elektron

Proton

(Q2)

x

Hohe Energie: ep-Streuung ~ eq-Streuung!

HERA: Ideales Laborzur Untersuchung der Partondynamik im Proton.

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Elektron-Proton-StreuungVerdeutlichung von x und Q2

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DieStrukturdesProtons

kleine x:

mittlere x:Scaling!!!

grosse x:

Spannend: - Beschreibt Theorie die Daten?- Welche Präzision brauchen wir, um am LHC Physik zu machen?

[x: Impulsanteil desGestreuten Quarks am Protonimpuls]

Feynman etc.: Punkt-foermige Partonen

ohne Wechselwirkung!!!

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Die Protonstruktur – PDFs*… etwas unanschaulich …

*PDF = parton distribution function

Beachte den Unterschiedzwischen Valenz- undSeequarks und Gluonen!

Die Angabe von (sinnvollen)Fehlern ist noch sehr neu!

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Elektroschwache TheorieErster Schritt zur “Unification”

Q2 gross (NC) = (CC)

[Elektroschwache Ver-einheitlichung]

Bis jetzt alle Wirkungsquerschnittevon der Theorie beschrieben!

,Z,W?Egal !!!!

Neu: Polarisierte Strahlen! Unter-suchung der schwachen WW (W-Boson sollte nur linkshändig koppeln)

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Die starke Weckselwirkung: QCDDie andere Kraft …

BGF: Boson-Gluon-Fusion

QCD-C: QCD-Compton-Events

… die nächste Ordnung …

s!

(Transversale) Energie der Jets

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Besonders nett: sEin (zum Glueck) universeller Parameter

s ist der fundamentaleParameter der QCD (wieEM im Falle der QED).

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Physik schwerer Quarks IKomplexer wegen hoher Massen!

“Open charm production”

D*

s+

+

K-

D0

“Golden D* decay”

Rest

x

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Physik schwerer Quarks II

Erstes Mal Daten durchTheorie beschrieben?

Beauty-Wirkungs-querschnitte nichtverstanden?

Methoden: pT,rel, Impakt-Parameter, (stat. Trennung)

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Die Suche nach neuer Physik… noch ganz frisch: Pentaquarks uuddsKs

0p+-p

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Die Suche nach neuer Physik… eigentlich das Interessanteste

Zweifach geladeneHiggs-Bosonen: e+ e-H++

[Ladungsvorzeichen des Leptons wechselt; 3 Leptonen im Endzustand]

RP-verletzende SUSY: z.B. ed gravitino

Leptoquarks: eq eq[Resonanzen in inv. Masse; ~high-Q2-DIS mit e+Jet]

Finden wir Physik jenseitsdes Standard-Modells?Neue Wechselwirkungen?

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Das DESY-UmfeldViele Beschleuniger und einiges an Geschichte

Derzeit 920-GeV-Protonenauf 27.5-GeV-Positronen.

Entdeckung des Gluons bei PETRA

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HERA-PerformanceIm Vergleich der Jahre: Steile Lernkurve!

HERA I:e+p-Streuung: 100 pb-1

e-p-Streuung: 15 pb-1

HERA II:Ziel: 1000 pb-1 bis 2006/7

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H1 und ZEUSDie einzigen ep-Experimente

• Internationale Kollaborationen mit Beteiligung von ca. 300-400 Physikern aus 14 Ländern und 59 Instituten (ZEUS).

• Teilchendetektoren in den Hallen Nord (H1) und Süd (ZEUS) des HERA-Rings.– Vielzweckapparate (Messung von Energien und Impulsen

einer Vielzahl von Teilchen über fast 4.– Asymmetrischer Aufbau, da Schwerpunkt gegenüber dem

Labor bewegt ist (Ee = 27.5 GeV, Ep = 920 GeV, Massen!).

– Datennahme seit 1992; Betrieb bis Mitte 2007[Anmerkung: Es gibt zur Zeit nicht viele laufende HEP-Experimente!]

Nachher Besichtigung von H1 und ZEUS!

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Das ZEUS-ExperimentZwiebelschalenfoermiger Aufbau

e

p

Wechselwirkungspunkt

Vertex-DetektorNachweis der Zerfaelle

langlebiger Teilchen

SpurkammernFeld/Signal-Draehte

(Ionisationsnachweis,Impulsmessung

geladener Teilchen)

Uran-Kalorimeter(Energiemessung neutraler

und geladener Teilchen)

Solenoid

WeitereKalorimeter

Muon-Kammern20*12*11 Meter

3600 TonnenCa. 25 Komponenten

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Das ZEUS-KalorimeterEnergiemessung mit Uran

Teilchen deponieren Energie in Szintillator Licht!

electron

anode

vacuum dynodes

Licht wird mit Lichtleitern zu Photomultipliern (Sekundaer-elektronenvervielf.) gebracht

Vom Photomultiplier zum elektronischen Signal

Kalorimeter-Geometrie Ein Barrel-Modul

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ZEUS-MVDSpurmessung mit 20 mZeus hat einen neuen Silikon-Mikrovertex-Detektoreingebaut, der der genauen Spurmessung am WW-Punktdienen soll. Uni HH war massgeblich beteiligt !

e p

Wechselwirkungspunkt

360k elektrischeKanaele im Readout!600 Silizium-Streifendetektoren

Schwere Mesonen = hohe Lebensdauern Zerfall nach ~mm! Nachweis d. Vertex b,c-Physik.

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Arbeit in einer KollaborationArbeitsteilung und Teams (ZEUS)

Aufteilung 1: Institute (z.B. UHH)- Gutachter der (Diplom-)Arbeiten; - oft mehrere Leute an einem Thema- interne Diskussion

Aufteilung 2: Subdetektor (z.B. Kalorimeter)- Oft quer durch die Institute.- Jeder muss fuer das Experiment arbeiten. - Hardware-Erfahrung wichtig

Aufteilung 3: Physik-Gebiet (z.B. QCD)- Regelmaessige Treffen derer, die auf einem Gebiet arbeiten;- Interner Review-Prozess

“wise men”

“conveners”

“coordinators”

“Spokesperson”“Physics Chair”

“Run Coordinator”

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Diplomarbeit: Warum Teilchenphysik?

Physik, Detektoren, Computing Fundamentale Fragen, moderne Technologien Präzise Messungen

Internationale Kollaborationen Teamarbeit in kleiner Gruppe enge Betreuung, relevante Ergebnisse soziale Erfahrung

Meetings, Vorträge, Schulen, Konferenzen

In Forschung, Wirtschaft, Industrie

VielseitigeUmgebung

GuteZukunfts-

Perspektive

Kommuni-kation

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Diplomarbeit: Warum HERA?

Alle Aspekte experimenteller Teilchenphysik

Interessante Ergebnisse, Potential lange nicht ausgeschöpft! HERA-II-Daten mit Spannung erwartet !!! Relevant für zukünftige Experimente (LHC!).

Hardware und Software nicht nur entwickeln, sondern unter teilweise harten Bedingungen benutzen

Technik oft an der Entwicklungsfront: Halbleiter-Detektoren, Elektronik, OO-Software.

LaufendeExperimente

Technik

BisherigeDaten

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Als Diplomand …

…kann man

…muss man

…soll man

… eigentlich alles machen:- Physikanalyse von HERA-Daten [bahnbrechende Ergebnisse kann man aber nicht versprechen ;-) ]- Hardware-Entwicklung HERA/CMS - Software-Entwicklung HERA/CMS- spezifische Interessen können i.A. leicht berücksichtigt werde

- sich umschauen- sich qualifizieren- und Spass haben.

- sich eine Gruppe / einen Betreuer aussuchen- in 12 Monaten fertig sein.

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Themen (locker assoziiert)

• Inbetriebnahme des ZEUS-MVD (ZEUS)• Inbetriebnahme des Forward Trackers (ZEUS)• Inbetriebnahme des Fast Track Triggers (H1)• Inbetriebnahme der neuen Lumi-Systeme• Konstruktion und Test von CMS-Detektoren…

• Entwicklung objektorientierter Software (H1)

• Analyse von Ereignissen mit schweren Quarks• Suche nach neuer Physik (Supersymmetrie)• Messung der PDFs bei hohen x in Jet-Ereignissen

Typischerweise Mischung von Analyse, Software- und Hardware-Betreuung.

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Diplomarbeit ist anders …… als das Studium!

• Stark arbeitsteilige Organisation der Arbeit in kleinen Teams

• Experimenteller Ansatz [eine gewisse Frustrationstoleranz ist nötig ;-) ]

• Zahlreiche Hardware-Aufgaben [Teststand, Elektronik, Logistik, …]

• Anwendung von Software/Computing– Zur Analyse grosser Datenmengen– Zur Simulation / Lösung komplexer Probleme– Programmierkenntnisse vorteilhaft aber nicht zwingend

[Fortran, C, C++, paw, ROOT, JAVA, CGI, PERL, PYTHON, …]

• Interesse an Teilchenphysik [Theorie, Modelle, Nachweis]!

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Kontakte… auch jeder Diplomand/Doktorand

.. Und jeder Diplomand oder Doktorand bei H1 und ZEUS!

ZEUS [http://www-zeus.desy.de]

H1 [http://www-h1.desy.de]

- Prof. R. Klanner, Tel. 8998-3023, 1c/379, Robert.Klanner@desy.de- Prof. P. Schleper, Tel. 8998-2957, 67b/24, Peter.Schleper@desy.de- Dr. T. Schörner-Sadenius, Tel. 8998-2954, 67b/22,

Thomas.Schoerner@desy.de

- Prof. B. Naroska, Tel. 8998-3804, 1c/282, Beate.Naroska@desy.de

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Zusammenfassungbetreibt relevante und interessante Physik- Vermessung des Protons; EM, EW, QCD- Suche nach neuer Physik- Vorbereitung auf pp-Physik bei LHC

HERA

Bis 2007(und danach) werden Physiker gesucht, die- Daten auswerten- die Detektoren mitbetreiben [Schichten, Verantwortung für Komponenten]- die Arbeit in einer internationalen Kollaboration geniessen [Qualifikation!].

Arbeits-markt

Gibt es arbeitslose Hochenergiephysiker?- Banken, Versicherungen, Beratungen- F+E in der Industrie und Selbstaendigkeit