Der LHC am CERN Das LHCb Experiment

Zielsetzung

Einführung ins Experiment

Suche nach Baryon+Leptonzahlverletzung bei LHCb

Motivation

Stand der Arbeit

N

LHC = „Large Hadron Collider“

Speicherring für Protonen und Bleikerne

Inbetriebnahme 2008/2009 nach 8 Jahren Bauzeit

Umfang ~ 27 km

E(pp) bis 14TeV möglich [ v/c(p) = 99,9999991 % ]

Baukosten ca. 3 Mrd. €

Leistungsaufnahme: 170 GW, ~800 GWh pro Jahr

Laufzeit bis 2030 geplant

Physikalische Motivation

Suche nach neuen Teilchen (z.B. Higgsboson)

Untersuchung von Materie-Antimaterie Unterschieden (CP-Verletzung)

Suche nach seltenen Teilchenzerfällen (siehe meine Diss.)

Schwerionenforschung (Quark-Gluon Plasmen)

Vorteile eines Protonencolliders gegen e+e--Collidern

Variable Schwerpunktsenergie: breites Spektrum von physikalischen Prozessen möglich

Hohe Ereignisrate bei pp-Kollision: große Zahl an Ereignissen ermöglicht Messung extrem seltener Prozesse (Prob~10-12)

der LHC ist eine Entdeckungsmaschine!

ATLAS: A Toroidal LHC ApparatuS (~7400 Mitglieder, 12 % dt. Anteil)

CMS: Compact Muon Solenoid (~5000 Mitglieder, 7 % dt. Anteil)

ATLAS und CMS suchen u.a. nach neuen schweren Teilchen in tiefinelastischen pp-Kollisionen

ALICE: A Large Ion Collider Experiment (~2100 Mitglieder, 12% dt. Anteil)

Kollision von Bleikernen bei E=1146 TeV ~ 1019 K,

Untersuchung von heißen und dichten Plasmen (Urknall)

59 Institute, 1135 Mitglieder, 15 Länder

Starke Beteiligung von England, Italien, Russland

Dt. Gruppen: Uni Dortmund, Uni Heidelberg, MPI Heidelberg, Rostock 87 Mitglieder

Zielstellung: Untersuchung von pp-Kollisionen bei geringen

Schwerpunktsenergien / hoher Rapidität

LHCb ist ein quasi-fixed-target Experiment

Hohe Produktionsrate von B und D Mesonen (~1011 / Jahr)

B und D Mesonen bieten ein breites Forschungsfeld:

„Neue Physik“ CP-Verletzung, seltene Zerfälle, Abweich. v. Standardmod.

Präzisionsmessungen bekannter Parameter

Es gibt 3(4) Wechselwirkungen Es gibt 2 Sorten von Teilchen:

Fermionen = Materieteilchen

Bosonen = Kraftteilchen Quarks kombinieren zu Mesonen und Baryonen Schwere Mesonen und

Baryonen (mit b und c Quark) Zerfallen in leichtere Teilchen

Messung von Zerfallsraten und Zerfallseigenschaften erlauben Rückschlüsse auf Wechselwirkungen

pp Kollision = WW der Quarks (Starke Kraft)

Gluon Fusion ist dominierender Streuprozess

Hartes Gluon ww mit weichem Gluon

Hadronisierung in Richtung des harten Gluons

P(b)~80GeV/c β = 0.996 s(b) = 7.5mm

u

d

u

u

u

d

p

p

b

b g g

Primärvertex (PV)

pp Kollisionsrate: f = 50 ns Ziel: 25ns

#(Protonen)/Bunch = ~1011

Zahl der sichtbaren pp-WW: µ=1.5 Strahlradius: 1 µm

Produktionsrate: L: instantane Luminosität: Produktionsraten:

A

A

~8cm

12332

104

scmA

NfL

eff

LN

50 ns

JahrBBN /10~)( 11

JahrDDN /10~)( 12

Kurzlebige (schwere) Teilchen zerfallen in langlebige Teilchen die im Detektor nachgewiesen werden können

Messung von Teilcheneigenschaften: Flugweg+Impuls, Energie und Geschwindigkeit

Magnet + Tracking System T: Flugweg, Impuls Kalorimeter Cal: Energie Cerenkov Detektoren CD: Geschwindigkeit Impuls + Geschwindigkeit Masse Teilchensorte Messbare Teilchen: e, µ, γ, π, K, p

p p

Akzeptanzbereich des Detektors 0.8° < θ < 17°

Seitenansicht

Spurrekonstruktion + Impulsmessung

Ionisierung in Halbleiterdioden beim Durchgang hochenergetischer geladene Teilchen „Hits“

Messung eines Spannungsanstieges

Viele Ebenen aus Pixeldetektoren ermöglicht Ortsauflösung der Spur (δ=4µm)

Krümmung der Spur im Magnetfeld Impulsmessung

Pixeldetektor

Geschwindigkeitsmessung

Hochenergetische geladene Teilchen ( v > c/n ) erzeugen Cerenkov-Lichtkegel in Materie

Messung des Öffnungswinkels Geschwindigkeit

vn

c

)cos(

RICH1

Energiemessung EM Hadonisch

Kalorimeter: geladene Teilchen und Photonen verlieren Energie in Kaskade von Sekundärteilchen

1. Absorber: dichtes Material mit geringer Strahlungslänge

2. Detektor: Messung der Sekundärteilchen ( e, γ )

1. ECAL: Absorbiert e± und hochenerg. Photonen

Bremsstrahlung:

Paarbildung:

Auflösung:

2. HCAL: Absorbiert primär Protonen und Pionen

Auflösung:

NeNe

NeeN

Absorberplatten

Nachweisdetektoren

Geladenes Teilchen

%9%70 EEE

%1%10 EEE

Bs Ds+ µ- , Ds+ K+ K- π+

Hohe Produktionsrate an B und D Mesonen Sehr gute Vertexauflösung: (δ=4µm) gutes Signal/Untergrund Verhältnis

Hohe Detektoreffizienz & geringe Totzeiten: ca. 90% aller Ereignisse werden aufgezeichnet

5-10 mm

Primärvertex

B/D-Meson-Vertex

Teilchenspuren

Motivation:

Es gibt eine Materie-Antimaterie Asymmetrie im Universum, die noch nicht erklärt werden kann

2003: WMAP misst Baryon/Photon Verhältnis:

Mögliche Erklärung:

▪ Der Großteil der Materie-Antimaterie hat sich kurz nach dem Urknall wieder gegenseitig vernichtet

▪ Ein winziger Anteil ist vorher Zerfallen, wobei CP und die Baryonzahl in diesen Zerfällen verletzt ist

1010)3.00.6(

n

nnBB d.h. von ca. 60 Mrd. Baryon-Antibaryon

Paaren bleibt ein Baryon übrig

1967 formuliert Andrei Sakharov drei Bedingungen für die Materie-Antimaterie Asymmetrie 1. Zerfälle mit Baryonzahlverletzung (BZV)

2. CP Verletzung in diesen Zerfällen

3. Thermisches Ungleichgewicht

Baryonzahlverletzung ist Bestandteil der großen Vereinheitlichen Theorien (GUT)

Baryon+Leptonzahlverletzung z.B. möglich durch „Leptoquarks“: Teilchen die in Lepton+Quark zerfallen Verbindung zw. Quarks und Leptonen (Supersymmetrie)

31le

32u

+

Urknall

Hadronen und Antihadronen bilden sich in gleicher Zahl

Paarvernichtung in Photonen -> kosmische Hintergrundstrahlung

ep

MM

Seltener Zerfall mit BZV

Erlaubter Zerfall

CP-Verletzung: entgegengesetzter Prozess ist seltener Materieüberschuss

Wegen des thermischen Ungleichgewichts finden Umkehrprozesse nicht/seltener statt

ep

epP( )< epP( )

Aufgrund der Unvollkommenheit des LHCb Detektors können nicht beliebige Zerfälle gesucht werden

Zerfall muss bestimmte Bedingungen erfüllen um ihn mit hoher Wahrscheinlichkeit bei LHCb zu messen 1. Betrachte Zweikörperzerfälle: geringer kombinatorischer

Untergrund, X Y+Z

2. Myon vorhanden: LHCb ist vor allem empfindlich auf Zerfälle mit Myonen, d.h. Suche nach Zerfällen mit X Y + µ

3. Mutterteilchen X sollte langen Flugweg (>1 mm) haben Trennung von Primärvertex und Zerfallsvertex von X

Weitere Kriterien: Schwere Quarks (s,c,b) im Mutterteilchen, möglichst keine „instabilen“ Tochterteilchen

Baryon Meson: Meson Baryon:

Alle Mutterteilchen sind langlebig und werden in großer Zahl bei LHCb produziert

Tochterteilchen sind hochenergetisch und werden im Detektor direkt nachgewiesen (hohe Effizienz)

K

Kb

pD

pB

0

0

)(

)(

)(

bud

sud

uudp

b

Bisher gibt es keinen einzigen Hinweis auf Protonzerfälle:

Jeder BZV Zerfall kann aufgrund der Energieerhaltung in einen Protonzerfall „umgewandelt“ werden, bspw.

Anhand der Protonlebensdauer von τ>1030 Jahre können Zerfallswahrscheinlichkeiten

berechnet werden nicht messbar!

Ansatz: bisher unbekannte Mechanismen erlauben BZV bei Zerfällen schwerer Quarks, wirken aber nicht bei den leichten Quarks im Proton

... YXp

00 BppB

300 10)( pBP

Einarbeitung in die LHCb Software Analyse von insgesamt 9 Kanälen mit BZV

geplant Computersimulierte Zerfälle wurden/werden

erzeugt um Auswahlkriterien zu entwickeln um Signal und Untergrund effektiv trennen zu können

Testen der Auswahlkriterien an erlaubten und kinematisch ähnlichen Vergleichskanälen

LHCb ist nach über 10 Jahren Planung erfolgreich gestartet und arbeitet zuverlässiger und effizienter als im Design geplant

LHCb liefert als erstes Experiment überhaupt die nötigen Vorraussetzungen (Statistik, Detektoreffizienz) um nach Baryon+Leptonzahl verletzenden Zerfällen zu suchen.

Danke für die Aufmerksamkeit!

Magnet: - 2 Polarisierungsricht.

- I = 6000A

- By <= 1 Tesla

August 1995: Letter of intent “A Dedicated LHC Collider Beauty Experiment

for Precision Measurements of CP-Violation” Februar 1998: Techical Proposal 2008: Fertigstellung des LHCb Detektors April 2008: Erste kosmische Myonen detektiert 10.09.2008: Erster Beam Tag -> 9 Tage später

Unfall 23.11.2009: Erste pp Kollisionen nach Unfall 30.03.2010: Erste Kollisionen mit E(pp)=7TeV 14.10.2011: 1 fb-1 aufgezeichnet bei LHCb

734 Mitglieder (Stand: 24.10.2011)

Große Gruppen: CERN (72), Lausanne(30), NIKHEF (45), Oxford, Liverpool, Barcelona (je 21)

Pierluigi Campana

Burkhardt Schmidt

Monica Pepe-Altarelli

Richard Jakobson

pp Kollisionen @ 40 MHz Output/t = 10 MHz

L0 - Trigger Output/t = 1 MHz

HLT - Trigger

Festplatte (DST)

Output/t: L1 = 40kHz / L2 = 3 kHz

Stripping Analyse

Offline

Online

Online Datennahme: Signaleff. > Bkg-Reduzierung

Triggern auf B und D Events

Nutze Vertex und Pt Infos

L0 – Trigger (Hardware):

Velo

E+HCAL

μ-Kammern

L0 Decision unit

HLT (Software)

20‘000 Recheneinheiten

L1: partielle Rekonstruktion

L2: vollst. Rekonstruktion

14.10.2011: Aufgezeichnete Luminosität > 1 fb-1