Auswertung von LEP-DatenAuswertung von LEP-Daten(Large Electron Positron (Large Electron Positron

Collider)Collider)Prof. Dr. Thomas TrefzgerProf. Dr. Thomas Trefzger

Lehrstuhl für Physik und ihre DidaktikLehrstuhl für Physik und ihre Didaktik

Universität WürzburgUniversität Würzburg

Lehrerfortbildung Bad Honnef Lehrerfortbildung Bad Honnef

Juli 09Juli 09

Vermittlung in der SchuleVermittlung in der Schule

Geschichte der Teilchenphysik (spannend !)Geschichte der Teilchenphysik (spannend !) Animationen, Lehr- und Lernmodule Animationen, Lehr- und Lernmodule

(vielfältig !) : (vielfältig !) : www.teilchenphysik.de Exkursion zum CERN, DESY (ein Erlebnis !)Exkursion zum CERN, DESY (ein Erlebnis !) Experiment (lehrreich !)Experiment (lehrreich !) Datenauswertung Datenauswertung

Bausteine der Materie: Bausteine der Materie: Quarks und LeptonenQuarks und Leptonen

00

-1 -1

+2/+2/

33

--1/31/3

LADUNGLADUNG StrukturloseStrukturlose, fundamentale , fundamentale TeilchenTeilchen: Alle : Alle LeptonenLeptonen

Teilchen mitTeilchen mit innerer innerer StrukturStruktur::

Proton, Neutron,….Proton, Neutron,….

aufgebaut aus aufgebaut aus QuarksQuarks

Stabile Materie: up- und down-Quark, ElektronenStabile Materie: up- und down-Quark, Elektronen

Teilchen als KraftvermittlerTeilchen als Kraftvermittler

Austauschteilchen sind die Quanten der KraftfelderAustauschteilchen sind die Quanten der Kraftfelder

pppp

nnnn

pp

pppp

pp

nn

nnpp

pp

nnpp nnpp

Das Standard-Modell der Das Standard-Modell der TeilchenphysikTeilchenphysik

Beschreibt die fundamentalen WechselwirkugenBeschreibt die fundamentalen Wechselwirkugen Starke Kraft (Kernkraft)Starke Kraft (Kernkraft) Schwache Kraft (Umwandlungsprozesse von Schwache Kraft (Umwandlungsprozesse von

Teilchen)Teilchen) Elektromagnetische KraftElektromagnetische Kraft

Gute Beschreibung aller bekannten ProzesseGute Beschreibung aller bekannten Prozesse Zerfälle von TeilchenZerfälle von Teilchen Innere Struktur nicht fundamentaler TeilchenInnere Struktur nicht fundamentaler Teilchen

Systematik aller bekannten TeilchenSystematik aller bekannten Teilchen Beruht auf Symmetrie-PrinzipienBeruht auf Symmetrie-Prinzipien Sehr erfolgreiche physikalische TheorieSehr erfolgreiche physikalische Theorie

Offene FragenOffene Fragen

Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests standgehalten.jetzt allen experimentellen Tests standgehalten.

Dennoch ist vieles unverstanden:Dennoch ist vieles unverstanden:• Woher kommt die Masse (Woher kommt die Masse (Higgs-TeilchenHiggs-Teilchen)?)?• Gibt es Gibt es eine fundamentale Krafteine fundamentale Kraft??• Welche Welche SymmetrieSymmetrie liegt unserer Welt zugrunde? liegt unserer Welt zugrunde?• Gibt es Gibt es zuszusätzliche Dimensionenätzliche Dimensionen??• Kennen wir alle Teilchen (Kennen wir alle Teilchen (SupersymmetrieSupersymmetrie)?)?

Um Neues zu entdecken, muss man neue Dinge tun:Um Neues zu entdecken, muss man neue Dinge tun:

Der Der Large Hadron ColliderLarge Hadron Collider (Proton-Proton) mit den (Proton-Proton) mit den

Experimenten Experimenten ATLASATLAS und und CMSCMS am am

EuropEuropäischen Forschungszentrum äischen Forschungszentrum CERN CERN in Genfin Genf

Arten von CollidernArten von Collidern

ElektronElektron--PositronPositron-Collider-Collider: : PräzisionsmessungenPräzisionsmessungen LEP, CERNLEP, CERN in Genf bis 2000 in Genf bis 2000 (bis 105 GeV pro Strahl)(bis 105 GeV pro Strahl) ILCILC (International Linear Collider) ab 2015(?) (International Linear Collider) ab 2015(?)

ElektronElektron--ProtonProton-Collider: -Collider: SubstrukturmessungenSubstrukturmessungen HERA, DESYHERA, DESY in Hamburg, bis 2007 in Hamburg, bis 2007 (e: 30 GeV, p: 920 GeV)(e: 30 GeV, p: 920 GeV)

HadronHadron--HadronHadron-Collider-Collider: : EnteckungsmaschinenEnteckungsmaschinen TEVATRON, FERMILABTEVATRON, FERMILAB in Chicago, bis 2010 in Chicago, bis 2010 (900 GeV pro Strahl)(900 GeV pro Strahl) LHC, CERNLHC, CERN in Genf (Large Hadron Collider, Proton-Proton) in Genf (Large Hadron Collider, Proton-Proton)

ab 2009ab 2009 (7000 GeV pro Strahl)(7000 GeV pro Strahl)

Untersuchung der Sub-Untersuchung der Sub-struktur des Protonsstruktur des Protons

ElektronElektron

Elektron Elektron

ProtonProtonElektronElektron

Elektron Elektron

ProtonProtonQuark-JetQuark-Jet

ElektronElektron

Quark-JetQuark-Jet

H1-DetektorH1-Detektor

Proton-Elektron Kollisionen bei Proton-Elektron Kollisionen bei

HERA (DESY):HERA (DESY):

Schwerpunktsenergie vonSchwerpunktsenergie von 320 GeV 320 GeV

entspricht einer Ortsauflösung vonentspricht einer Ortsauflösung von 10 10--

1818 m m

Untersuchung der ProtonstrukturUntersuchung der Protonstruktur

Messung der Elektroschwachen Messung der Elektroschwachen VereinheitlichungVereinheitlichung

Neutraler Strom:Neutraler Strom:

EM oder schwache EM oder schwache

WechselwirkungWechselwirkung

Geladener Strom:Geladener Strom:

Nur schwache WWNur schwache WW

Messung der Messung der VereinheitlichungVereinheitlichung

Messung bei HERAMessung bei HERA

am DESY Hamburgam DESY Hamburg

Neue Teilchen enstehen ...Neue Teilchen enstehen ...

TeilchenidentifikationTeilchenidentifikation

• feststellbarefeststellbareTeilcheneigenschaftenTeilcheneigenschaften::– aus Quarks („Hadronen“)?aus Quarks („Hadronen“)?– Lepton ?Lepton ?– elektr. geladen / ungeladenelektr. geladen / ungeladen– leicht / schwerleicht / schwer– Impuls und EnergieImpuls und Energie

• Zwiebelschalenartiger Aufbau Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponentenverschiedener Komponenten

• Jede Teilchenart hinterlässt Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von bestimmte Kombination von Signalen in den KomponentenSignalen in den Komponenten

Detektorkomponenten:Detektorkomponenten:• Myon-Spektrometer: Myon-Spektrometer:

Toroid mit DriftröhrenToroid mit Driftröhren• Energiemessung:Energiemessung:

- Hadronisch- Hadronisch

- Elektromagnetisch- Elektromagnetisch• Spurerkennung : Spurerkennung :

- Übergangsstrahlungs-- Übergangsstrahlungs-DetektorDetektor

- Halbleiter-Detektor- Halbleiter-Detektor

Teilchenidentifikation bei ATLASTeilchenidentifikation bei ATLAS

ATLAS Kollaboration am ATLAS Kollaboration am LHCLHC

ATLAS ManagementATLAS Management

170 Unis/Institute aus 35 Ländern, 2200 Mitglieder

ATLAS ATLAS MyonspektrometerMyonspektrometer

5500 qm Fläche5500 qm Fläche 1200 Präzisions- 1200 Präzisions-

kammernkammern 400000 Driftrohre400000 Driftrohre Positionierung auf Positionierung auf

50 Mikrometer50 Mikrometer

ATLAS Trigger

Herausforderung bei LHCHerausforderung bei LHC

p-p Kollisionen alle 25 Nanosekunden (40 p-p Kollisionen alle 25 Nanosekunden (40 MHz)MHz)

Etwa 25 inelastische Ereignisse pro KollisionEtwa 25 inelastische Ereignisse pro Kollision Hohe Detektorgranularität (Hohe Detektorgranularität (100 Millionen 100 Millionen

KanäleKanäle)) Datenrate von 100 TByte/sec, etwa Datenrate von 100 TByte/sec, etwa 20000 20000

DVD‘s pro SekundeDVD‘s pro Sekunde ! ! Sehr effiziente Selektion in quasi EchtzeitSehr effiziente Selektion in quasi Echtzeit Interessante Ereignisse: Interessante Ereignisse: ~1 pro Sekunde~1 pro Sekunde

ATLAS TriggerATLAS Trigger

Nicht alle Kollisionen sind interessantNicht alle Kollisionen sind interessantTrigger muss in 2 Mikrosekunden Trigger muss in 2 Mikrosekunden

entscheiden !entscheiden ! Eventuell interessante Ereignisse Eventuell interessante Ereignisse -> Abspeichern-> Abspeichern Mögliche EntdeckungenMögliche Entdeckungen-> nur 0.000000001%-> nur 0.000000001%

Was wir suchen tritt nur bei jeder Was wir suchen tritt nur bei jeder 10-Milliardsten Kollision auf !10-Milliardsten Kollision auf !

Higgs Ereignis: Radiale ProjektionHiggs Ereignis: Radiale Projektion

Hands on Particle PhysicsHands on Particle Physics

Schüler/innen verbringen 1 Tag an der UniversitätSchüler/innen verbringen 1 Tag an der Universität Einführungsvorträge von WissenschaftlernEinführungsvorträge von Wissenschaftlern Arbeit an echten Daten der ExperimenteArbeit an echten Daten der Experimente Fundamentale Erkenntnisse aus eigenen Fundamentale Erkenntnisse aus eigenen

Messungen (Z0-Zerfälle)Messungen (Z0-Zerfälle) 2009: 80 Institute, 23 Länder, 6000 Teilnehmer2009: 80 Institute, 23 Länder, 6000 Teilnehmer Jährlich jeweils während 3 Wochen im MärzJährlich jeweils während 3 Wochen im März 5 Masterclasses am Ende jedes Tages in 5 Masterclasses am Ende jedes Tages in

Videokonferenz verbundenVideokonferenz verbunden

Masterclass CDMasterclass CD online unter online unter

http://www.physicsmasterclasses.org Offline auf masterclass CD (Auflage 7000)Offline auf masterclass CD (Auflage 7000) Werbematerial für Öffentlichkeit und SchuleWerbematerial für Öffentlichkeit und Schule

ZIEL:ZIEL: Internationale Kollaboration von SchülernInternationale Kollaboration von Schülern Eigenes Erleben der Arbeitsweise in moderner Eigenes Erleben der Arbeitsweise in moderner

NaturwissenschaftNaturwissenschaft Arbeiten wie Wissenschaftler an OriginaldatenArbeiten wie Wissenschaftler an Originaldaten

Evaluation (Physics Education 42 Evaluation (Physics Education 42 (2007)(2007) Schwierigkeitsgrad genau richtigSchwierigkeitsgrad genau richtig

Unabhängig von Vorwissen und GeschlechtUnabhängig von Vorwissen und Geschlecht

Erleben heutiger nat.wiss. Arbeitsweise Erleben heutiger nat.wiss. Arbeitsweise erzeugt Interesse an (insbes. moderner) erzeugt Interesse an (insbes. moderner)

PhysikPhysik

ZwiebelschalenstrukturZwiebelschalenstrukturOPAL ATLASOPAL ATLAS

PrinzipPrinzip

Untersuchung des Z-Bosons Untersuchung des Z-Bosons (LEP)(LEP)

Schweres Teilchen, zerfällt sofortSchweres Teilchen, zerfällt sofort Analogie zum Wassereimer:Analogie zum Wassereimer: Je mehr Löcher der Eimer hat, desto Je mehr Löcher der Eimer hat, desto

schneller ist er leerschneller ist er leer Je größer das Loch ist, desto mehr Je größer das Loch ist, desto mehr

Wasser fließt dadurch hinausWasser fließt dadurch hinaus Löcher entsprechen ZerfallskanälenLöcher entsprechen Zerfallskanälen

AufgabeAufgabe

Betrachte Ereignisse mit Z-ZerfällenBetrachte Ereignisse mit Z-Zerfällen Entscheide, welcher Zerfall vorliegtEntscheide, welcher Zerfall vorliegt Messe ZerfallsverhältnisMesse Zerfallsverhältnis

Neutrinos:Neutrinos: UnsichtbarUnsichtbar Verlassen den Detektor und nehmen Energie mitVerlassen den Detektor und nehmen Energie mit Im Detektor fehlt EnergieIm Detektor fehlt Energie

Elektronen/PositronenElektronen/Positronen GeladenGeladen Spuren im SpurdetektorSpuren im Spurdetektor Schauer im elektromagnetischen Schauer im elektromagnetischen

KalorimeterKalorimeter zerstörtzerstört

1.1. Verlieren ihre gesamte Energie Verlieren ihre gesamte Energie im el.mag. Kalorimeterim el.mag. Kalorimeter

2.2. Impuls der geladenen Spur ist Impuls der geladenen Spur ist genauso groß wie Energie im genauso groß wie Energie im el.mag. Kalorimeter (gleiche el.mag. Kalorimeter (gleiche Farbe)Farbe)

3.3. Kein Signal im hadronischen Kein Signal im hadronischen Kalorimeter oder Myonkammern Kalorimeter oder Myonkammern

MyonenMyonen GeladenGeladen Spuren im SpurdetektorSpuren im Spurdetektor Energiedisposition überallEnergiedisposition überall Verlassen den Detektor und Verlassen den Detektor und

zerfallen dann, da sie instabil sindzerfallen dann, da sie instabil sind

1.1. Passieren den gesamten DetektorPassieren den gesamten Detektor

2.2. Signal in der Spurkammer, sowie Signal in der Spurkammer, sowie Energiedispositionen in beiden Energiedispositionen in beiden KalorimeternKalorimetern

3.3. Signal in den MyonkammernSignal in den Myonkammern

Quarks/Gluonen (bis auf top-Quark)Quarks/Gluonen (bis auf top-Quark) Nicht einzeln messbarNicht einzeln messbar Starke Kraft erzeugt viele Teilchen entlang Starke Kraft erzeugt viele Teilchen entlang

der Flugrichtung des Quarks/Gluonsder Flugrichtung des Quarks/Gluons Im Detektor sieht man Jets=StrahlenIm Detektor sieht man Jets=Strahlen

JetsJets Geladene und neutrale HadronenGeladene und neutrale Hadronen Viele Spuren im SpurdetektorViele Spuren im Spurdetektor Schauer (meist) in beidenSchauer (meist) in beiden

KalorimeternKalorimetern ZerstörtZerstört Jet=Strahl von HadronenJet=Strahl von Hadronen

HadronenHadronen

1.1. Kein Signal in den Kein Signal in den MyonkammernMyonkammern

2.2. Signal in der Signal in der Spurkammer Spurkammer (meist) sowie (meist) sowie Energiedisposition Energiedisposition in beiden in beiden KalorimeternKalorimetern

Jets (meist sehr viele Jets (meist sehr viele Hadronen)Hadronen)

MyonMyon

ElektronElektron

HadronHadron

ElektronElektron

MyonMyon

HadronHadron

MyonMyon

HadronHadron

ElektronElektron

Beispielzerfälle Z-BosonBeispielzerfälle Z-Boson

Was ist das ?Was ist das ?

Tau-LeptonTau-Lepton Tau ist ein Herausforderung für Teilchenphysiker !Tau ist ein Herausforderung für Teilchenphysiker ! Tau hat mehrere Möglichkeiten zu zerfallen, man Tau hat mehrere Möglichkeiten zu zerfallen, man

sieht nur die Zerfallsprodukte, nicht das tau sieht nur die Zerfallsprodukte, nicht das tau selbstselbst

Hauptmerkmal: Neutrinos -> fehlende EnergieHauptmerkmal: Neutrinos -> fehlende Energie Achtung: Der Z-Zerfall hat 2 Tau, die unabhängig Achtung: Der Z-Zerfall hat 2 Tau, die unabhängig

voneinander zerfallenvoneinander zerfallen

Z -> tau tauZ -> tau tau

Summe der Summe der Spurimpulse Sump Spurimpulse Sump << 2 x Ebeam<< 2 x Ebeam

4 Neutrinos tragen 4 Neutrinos tragen Energie aus dem Energie aus dem DetektorDetektor

Nur wenige Nur wenige SpurenSpuren

Fehlende Fehlende EnergieEnergie

2 eindeutige 2 eindeutige Myonen, aber Myonen, aber Summe der Summe der Spurimpulse 29.6 Spurimpulse 29.6 GeV << 170 GeVGeV << 170 GeV

Z-> q qZ-> q q

Z -> mu muZ -> mu mu

Z-> tau tau -> mu nu nu + h Z-> tau tau -> mu nu nu + h nunu

Z -> e eZ -> e e

Z -> tau tau -> e nu nu + e nu Z -> tau tau -> e nu nu + e nu nunu

Z -> q qZ -> q q

MessungMessung Standardmodell macht Voraussagen über Standardmodell macht Voraussagen über

Häufigkeiten der KanäleHäufigkeiten der Kanäle Messung bei OPAL war wichtiger Test des Messung bei OPAL war wichtiger Test des

StandardmodellsStandardmodells WIR WIEDERHOLEN HEUTE DIESE MESSUNGWIR WIEDERHOLEN HEUTE DIESE MESSUNG 1000 Ereignisse auf der CD1000 Ereignisse auf der CD 100 Ereignisse/Laptop100 Ereignisse/Laptop Kombination der ErgebnisseKombination der Ergebnisse