Sebastian ReinickeSeminar Astro- und Teilchenphysik

WS 2008/09

InhaltExperimente am LHC

AliceLHCbAtlasCMS

Higgs-MechanismusErwartete Produktion am LHCErwartete Beobachtungen beim ATLAS/CMS

LHC – Large Hadron ColliderUmfang 27km ~ 9600 Magnetepp Collider 7TeV /BeamPb-Pb Collider 575TeV /Beam600 Millionen Kollisionen /s11245 Umläufe /s1,1 * 10^11 p / BunchLum. =10 nb^-1

Atlas

CMS

AliseLHCb

Alice – A Large Ion Collider Exp.Ziel: Erzeugung von Quark-Gluon-Plasma durch Kollision von p und Schwerionen Im QGP sind Quarks frei – normal gebunden (duo Meson, trio Baryon) Erforschen was die Quarks zusammen hält (QCD)

26m lang, 16m breit16m hoch10000t

LHCb – LHC BeautyZiel: Teilchen mit b-Quarks

erforschen Interressieren sich vorallem für

bestimmte Erhaltungssätze und die CP-Verletzung (C-charge, P-parity)

21m lang, 13m breit10m hoch5600t

Atlas – A Toroidal LHC ApparturSZiel: Nachweis des

Higgs-Bosons Nachweis der

Supersymmetrie

46m lang,25m Durchmesser7000t

CMS – Compact Muon SolenoidZiel: Wie ATLAS

21m lang15m Durchmesser12500t

Aufbau des CMS Detektors

LHC und Experimente

Higgs MechanismusFrage: Warum haben die Elemetarteilchen

unterschiedliche Massen? 1964 Peter Higgs postuliert skalares HintergundfeldHiggsfeld Widerstand für Teilchen

Trägheit

Masse

Kopplung über Higgs-Bosonen

Higgs-Comic

sich leise unterhaltende Physiker füllen den RaumHiggshintergrundfeld

berühmter Physiker betritt den Raum, jeder will sich mit ihm unterhalten

berühmter Physiker wird beim durchqueren des Raumes behindert

Warum ist das Higgs so wichtig?einfachste bekannte und experimentell konsistenteste

Erklärung für die Masse der EichbosonenGrundlegende Theorie erfordert Masselose Eichbosonen

da sie sonst math. nicht Lösbar istW- und Z- Bosonen haben große MassenVereinheitlichung von elektromagnetischer und

schwacher WWexperimentelle Bestätigung vieler Eigenschaften

Standardmodell gilt als gut abgesichert

Theoretische Berechnungen

Standardmodell muss modifiziert werden

Eichtheorie spontane Symmetriebrechung

Modifizierung des SMEinführung eines komplexen selbstwechselwirkenden

Potentials:global Eichinvariant mit erfülltfür Grundzustand Erwartungswert im VakuumWellengleichung: Beschreibt freies Teilchen der MasseFeld wird Antiteilchen zugeordnet

Modifizierung des SMspontane SB wenn

Erwartungswert

mit

System muss sich entscheiden

unendlich viele Grundzustände z.B.:

Modifizierung des SMEichsymmetrie im Grundzustand nicht realisiertAbleitung der Wellengleichung ergibt 2 Teilchen

Goldstoneboson mit Masse 0und Higgs-Boson mit Masse

Einführung der lokalen Eichtransformationim GSW-Modell wird der WW masseloser W-Bosonen

und Fermionen V zugefügtФ jetzt komplexes Isoduplett vier reelle Felder

Modifizierung des SMRechnung ergab Teilchenspektrum von drei

Vektorbosonen:

und Higgs-Boson:

was fehlt ist das Higgs-Boson

Suche nach dem Higgs-BosonBekannt:

wird benötigt um Masse der Teilchen zu erklären keine Ladung ganzahligen Spin 0 Skalarboson mH > 112GeV bestätigt durch Messungen am LEP theoretische Obergrenze von 1TeV Massenabschätzung Fermilab (2006): 117GeV < mH < 153GeV

(Messung der W-Bosonen-Masse)

Erzeugung der Higgs-BosonenVektorbosonenfusion

Quarks ergeben zwei Jets Eventreduzierung des Hintergrundes

Gluonfusion

tt-Fusion

Wirkungsquerschnitt für Higgs Produktionwird von Gluon-Gluon-

Fusion dominiert zweit stärkster Anteil ist

Vektorbosonenfusion

Zerfallskanäle für unterschiedliche H-MassenMasse > 150GeV:

Vektor-Bosonen dominieren

Masse < 150GeV domineren, auch Photon-

Leptonendzustände

Erwartete Detektion am ALTASLinien = detektierbarRest mit Neutrinos =

nicht direkt detektierbar

einige hunderte bis 150GeV

Bester Kanalschächer aber

komplettes Spektrum

CMS – Simulationen von Zerfällen bei verschiedener H-Masse

80-140 GeV 130-700GeV 0,5-1 TeV

Signifikanz & SignaleZiel der Detektoren ATLAS und CMS - Sicherstellung das

Higgs endeckt werden kann (100GeV-1TeV)

Signalsignifikanz: (im Signalbereich)

bestätigte Endeckung2 hochpräzise

Endeckungskanäle

z.B. 120GeV Higgs in CMS

SignaleSehr klares Signal bei

(ATLAS)geringere Produktionsrateeffektive

Hintergrundunterdrückung

Paar nur Nachweisbar bei tt-Fusion

SignaleZiel ist somit theoretisch erreicht

Higgs-Boson wird falls es exisitiert in dem Bereich von 100GeV-1TeV endeckt werden

QuellenSpringer-Lehrbuch, Teilchen und KerneThe European Physical Journal C - Particles and Fieldshttp://public.web.cern.ch/public/http://atlas.ch/http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-

cmsinfo/index.htmhttp://jaxodraw.sourceforge.net/

ENDE