Das ZEUS-Experimentam HERA-Beschleuniger

Das ZEUS-ExperimentElektron-Proton-Streuung bei hohen Energien

Die ZEUS-KOLLABORATIONbesteht derzeit aus ca. 350 Physikernvon 57 Instituten in 15 Ländern. Schwerpunkte der Arbeit sind die Erforschung der Struktur der Protons und die Suche nach Physik jenseits des Standard-Modells.

ZEUS-Gruppe, Institut für Experimentalphysik, Universität HamburgV. Adler, I. Bloch, P. Buhmann, R. Feller, J. Fourletova, D. Gladkov, T. Gosau, O. Gutsche, U. Holm, C. Horn, B. Kahle, R. Klanner, C. Nguyen, E. Nuncio-Quiroz, U. Pein, H. Prause, A. Raval, R. Santamarta, P. Schleper, T. Schörner-Sadenius, T. Theedt, K. Wichmann, K. Wick

GLUONDICHTE UND SAus den Messungen lassen sich auch die Partonverteilungs-funktionen ableiten, also die Wahrscheinlichkeiten, ein Parton eines bestimmten Typs mit vorgegebenem Impuls-anteil zu finden (Plot rechts). Hier liegt das Interesse auf der Gluondichte, die bei hohen Impulsanteilen weitgehend unbekannt ist. Des weiteren hat HERA sehr genaue Messungen des QCD-Kopplungsparameters S durchgeführt. Der HERA-Mittelwert beträgt derzeit

S(MZ)=±±±.

VORAUSSETZUNG FÜR LHCDie Untersuchungen zur Struktur des Protons und die damit gewonnenen Erkenntnisse über die Theorie der starken Wechselwirkung (QCD) sind wesentliche Grundlagen für einen erfolgreichen Betrieb des Large Hadron Collider (LHC) am CERN (Genf), da QCD-Prozesse die wesentlichen Untergründe für die Suche nach neuer Physik jenseits des Standard-Modells (Higgs, SUSY) darstellen.

Mikrovertex-Detektor MVD Silizium-Technologie im Dienste der Physik

Fortschritt in der QCD - Lernen für LHCDie Struktur des Protons

Beauty- und Charm-Physik QCD-Studien mit schweren Quarks

BEAUTY-PRODUKTION UND MVDRechts oben ist die Verteilung des Transversalimpulses von Muonen aus semileptonischen beauty-Zerfällen relativ zu den zugehörigen Jets und ihre Beschreibung durch die Simulation gezeigt. Der beauty-Anteil kann deutlich separiert werden. Diese Messung wurde noch ohne neuen Silizium-Streifen-Detektor MVD durchgeführt (siehe weiter unten). In der unteren Abbildung ist ein Maß für den Abstand des Muons vom Vertex der Elektron-Proton-Kollision gezeigt, das mit Hilfe des MVD genommen wurde; der Anteil leichter Quarks wurde dabei subtrahiert. Die statistischen Fehler der Messung sind noch gross; allerdings wurde nur ein Teil der MVD-Daten verwendet. Für die nahe Zukunft werden deutliche Verbesserungen der Genauigkeit vieler Messungen mit schweren Quarks erwartet.

Der ZEUS-DETEKTOR bei HERA ist ein Vielzweckmeßgerät mit hoher Auflösung für hadronische und elektromagnetische Energiedepositionen und guter Rekonstruktion geladener Spuren. Er wiegt ca. 3600 t und hat die Abmessungen 10*10*12 m3.

Exotische Physik… und Suche nach neuer Physik

JENSEITS DES STANDARD-MODELLSDie Suche nach bisher unbeobachteten Prozessen des Standard-Modells und nach Prozessen, die nicht im Rahmen des Standard-Modells vorhergesagt werden, nimmt einen wichtigen Platz ein. Besonders ist hier die Suche nach Supersymmetrie zu erwähnen.

PENTAQUARKSBesondere Aufmerksamkeit erregt derzeit die Suche nach Pentaquarks, also nach hadronischen Zuständen aus fünf Quarks. Die ZEUS-Kollaboration hat derartige Zustände mit strange-Quarks durch ihre Zerfälle in K-Mesonen und Protonen bzw. Antiprotonen nachweisen können; der sehr schmale gemessene Massenpeak bei ca. 1520 MeV ist im Plot rechts zu sehen. Derzeit geht die Suche nach Penta-quarks mit charm-Gehalt weiter; aufgrund der geringen Statistik ist die Messung allerdings deutlich schwerer als im strange-Kanal.

Ein anderes wichtiges Thema ist die SUCHE NACH ISOLIERTEN LEPTONEN. Zwar wird ihre Produktion auch im Standard-Modell vorhergesagt; die bei ZEUS beobachtete Häufung von Ereignissen mit Tau-Leptonen jedoch könnte auch als Hinweis auf die Produktion eines EINZELNEN TOP-QUARKS oder auf Supersymmetrie interpretiert werden. Eines der zwei gefundenen Ereignisse mit isolierten Tau-Leptonen ist im Event-Display links zu sehen. Das isolierte Tau-Lepton ist deutlich im unteren Detektorbereich zu erkennen. Die Abbildung rechts zeigt die Limits auf den Kopplungen des Top and Photon und Z-Boson.

Die SUCHE NACH SUPERSYMMETRIE als der plausibelsten Erweiterung des Standard-Modells nimmt in unserer Gruppe einen wichtigen Platz ein. Ergebnisse zu spezifischen Suchkanälen sind in der Vorbereitung.

Der MVD dient dem Nachweis sekundärer Zerfallsvertizes langlebiger Teilchen, vor allem solcher mit beauty- und auch charm-Quarks. Durch die sehr Präzise Messung dieser Vertizes (Grössenordnung 20 m) versetzt er das Experiment in die Lage, QCD-Studien und die Suche nach neuer Physik mit vorher ungekannter Genauigkeit zu betreiben. Der MVD wurde in massgeblich von der ZEUS-Gruppe der UHH mitentwickelt, getestet und in Betrieb genommen.

Der C5-ZÄHLER ist ein kleiner Szintillator nahe am rückwärtigen Strahlrohr, der das Strahlungsniveau der HERA-Maschine misst und im Wesentlichen zum Schutz des sensiblen MVD installiert worden war. Allerdings stellte er sich auch als unverzichtbar für die Lösung der Untergrundprobleme bei HERA, die bis zum Frühjahr 2004 den Betrieb des Beschleunigers und der Experimente erschwerte.

Die ZEUS-GRUPPE DER UHHbesteht derzeit aus 3 Professoren, 3 Post-Docs, 13 Doktoranden/Diplomanden und 4 Techniker/Ingenieuren. Nach wie vor ist die Nachfrage der Studenten groß.

STRUKTUR DES PROTONS: F2 und FLZiel der Forschung bei HERA ist die Untersuchung der Struktur des Protons. Hierzu konnten bereits wichtige Beiträge geleistet werden, so etwa sehr präzise Messungen der Strukturfunktion F2 oder erste Messungen der paritäts-verletzenden Strukturfunktion FL. Die Abbildung links zeigt die Messungen der Struktur-funktion F2 von ZEUS und H1. Deutlich ist das als `scaling violations’ bezeichnete Verhalten von F2 zu beobachten, das die QCD vorhersagt.

CHARMING und BEAUTIFUL Die Untersuchung von Ereignissen mit schweren Quarks (charm, beauty) im Endzustand erlaubt sehr spezifische Tests der QCD. Frühere Probleme in der Beschreibung von Ereignissen mit beauty-Quarks scheinen durch neue Ergebnisse der HERA-Kollaborationen überwunden. So zeigt etwa die Abbildung links einen Vergleich neuer Messungen von Prozessen mit b-Quarks mit der derzeit besten theoretischen Vorhersage. Die Messungen sind im wesentlichen mit der Vorhersage kompatibel.

Der 6-METER-TAGGER, ein Szintillations-Detektor, hilft bei der Luminositätsmessung. Er war durch einen Wasserschaden in Mitleidenschaft gezogen worden und wurde durch Mitarbeiter dieser Gruppe wieder aufgebaut und getestet. Derzeit wird an der Integration des Taggers in die ZEUS-Triggersystem gearbeitet.

SILIZIUM-TECHNOLOGIEDer MVD ist ein Silizium-Mikrostreifendetektor, der die Halbleiter-Eigenschaft des Siliziums ausnutzt. Durchgehende Teilchen deponieren Energie, indem sie Elektron-Loch-Paare erzeugen, die mithilfe der angelegten Spannung getrennt und dann als Spannungspuls nachgewiesen werden können. Die mit implantierten Streifen strukturierte Oberfläche erlaubt dabei auch die Ortsbestimmung des Teilchendurchgangs mit einer Genauigkeit von bis zu 10m.

MVD: STRAHLENBELASTUNG und RADMON-SYSTEMDie Eigenschaften des Siliziums des MVD reagieren sensibel auf die im Detektor deponierten Strahlendosis. Daher wurde von der UHH ein Strahlungsmess-System (RadMon) entwickelt, das sowohl die momentane als auch die integrierte Dosis misst. Bei zu hoher Dosisbelastung wird ein Alarm ausgelöst, auf den HERA durch Änderung der Strahlführung reagieren kann.Rechts ist ein Blick auf eine Hälfte des MVD vor seiner Installation im Experiment zu sehen.

Das URAN-KALORIMETER UCAList eine der zentralen Detektorkomponenten in ZEUS, das für die Messung der Energie von Teilchen unverzichtbar ist. Die Betreuung des Kalorimeters ist seit einiger Zeit wieder unter der Verantwortung der UHH.

ZEUS-BETRIEB C5-Counter, 6m-Tagger, UCAL