Die neuen großen Beschleuniger und ihre Schlüsselrolle -Der Large Hadron Collider LHC - Die...
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Die neuen großen Beschleunigerund ihre Schlüsselrolle
-Der Large Hadron Collider LHC -
• Die Fragestellungen • Der Large Hadron Collider • Die Experimente• Die Antworten: das Physikpotenzial
Karl JakobsInstitut für PhysikUniversität Mainz
1. Was ist der Ursprung der Masse ? - Existiert das Higgs Teilchen ? - Falls nein, wie sonst erhalten die Teilchen ihre Masse ? 2. Gibt es eine Universalkraft als gemeinsame Urkraft der verschiedenen Kräfte ?
3. Gibt es bisher unbekannte Formen von Materie ? - Ist unsere Welt supersymmetrisch ? - Besteht die dunkle Materie aus dem leichtesten supersymmetrischen Teilchen ? 4. Gibt es zusätzliche Raumdimensionen ?
Wichtige offene Fragen der Teilchenphysik
Die Schlüsselrolle des Large Hadron Colliders:„Entdeckungsmaschine im Energiebereich von LEP/Tevatron bis zu einigen TeV“
Antworten auf einige dieser Fragen werden auf der Energieskala bis 1 TeV erwartet !
• Proton-Proton Beschleuniger im LEP-Tunnel am CERN
p p 7 TeV 7 TeV - Höchste Energien pro Kollision - Bedingungen wie zu Zeiten von 10-13 -10-14 s nach dem Urknall
„ Der erste Schritt in das TeV-Neuland der physikalischen Grundlagenforschung“
• Vier geplante Experimente: ATLAS, CMS (pp-Physik) LHC-B (Physik der b-Quarks) ALICE (Pb-Pb Kollisionen)• Gebaut in einer internationalen Kollaboration aus 34 Ländern
• Geplante Inbetriebnahme: 2007
Der Large Hadron Collider (LHC)
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Wichtige Komponenten des Beschleunigers
• Supraleitende Dipolmagnete halten die hochenergetischen Teilchen auf der Kreisbahn - größte Herausforderung: Magnetfeld von 9 Tesla - insgesamt 1300 Stück, jeweils 15 m lang - Betrieb bei einer Temperatur von 1.9 K
• Acht supraleitende Beschleunigerstrukturen Beschleunigungsfeld von 5 MV/m
• Tests einer vollen LHC-Zelle erfolgreich durchgeführt
LHC: die größte supraleitende Anlage der Welt
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Proton-Proton Kollisionen am LHC
Proton – Proton:
2835 x 2835 Pakete (bunches)Abstand: 7.5 m ( 25 ns)
1011 Protonen / bunch Kreuzungsrate der p-Pakete: 40 Mio. mal / sec. Luminosität: L = 1034 cm-2 sec-1
Proton-Proton Kollisionen: ~109 / sec(Überlagerung von 23 pp-Wechselwirkungen während einer Strahlkreuzung)
~1600 geladene Teilchen im Detektor
hohe Teilchendichten hohe Anforderungen an die Detektoren
Gelöst in Forschungs- und Entwicklungsprojekten
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Produktionsraten am LHC
• Inelastische Proton-Proton Reaktionen: 1 Milliarde / sec• Quark -Quark/Gluon Streuungen mit ~100 Millionen/ sec großen transversalen Impulsen (> 20 GeV)
• b-Quark Paare 5 Millionen / sec • top-Quark Paare 8 / sec
• W e 150 / sec• Z e e 15 / sec
• Higgs (150 GeV) 0.2 / sec• Gluino, Squarks (1 TeV) 0.03 / sec
• Interessante Physikprozesse sind selten: hohe Strahlintensität des Beschleunigers, extrem gute Detektoren (Unterdrückung des Untergrundes)
Proton -Proton Kollisionen
Leptonen mit großem Impuls im Endzustand: interessante Physik !
Beispiel: Higgs Produktion und Zerfall
Wichtige Signaturen: • Leptonen und Photonen • Fehlende transversale Energie
p pqq
q
p pqq
H
WW
Keine Leptonen/Photonen im Anfangs- und Endzustand
Quark-Quark Streuung:q
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Untergrundunterdrückung: Rekonstuktion von Objekten mit großem Impuls
Reconstructed tracks with pt > 25 GeV
Das ATLAS Experiment
Bonn, Dortmund, Freiburg, HeidelbergMainz, Mannheim, LMU München,MPI München, Siegen, Wuppertal
• Solenoidmagnetfeld (2T) im inneren Bereich (Impulsmessung)
Hochauflösende Halbleiterdetektoren: - 6 Mio. Kanäle (80 m x 12 cm) -100 Mio. Kanäle (50 m x 400 m) Ortsauflösung: ~ 15 m
• Energiemessung bis 1o an die Strahlachse • Unabhängiges Myon Spektrometer (supraleitendes Toroidsystem)
Das CMS Experiment• Solenoidmagnetfeld (4T) im inneren Bereich (Impulsmessung)
Wird gleichzeitig zur Vermessung der Myonen benutzt
• Hochauflösende Halbleiterdetektoren- 9,7 Mio. Kanäle, 210 m2
• Energiemessung in Blei-Wolframat Kristallen (ausgezeichnete Auflösung für Photonen)
Aachen, Karlsruhe
Die Suche nach dem Higgs Teilchen
Wichtige Zerfälle zum Nachweis am LHC:
• H Z Z (der goldene Kanal)
• H
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Der gesamte erlaubte Massenbereich von der LEP-Grenze (~114 GeV) bis zur theoretischen Obergrenze von ~1000 GeV
kann abgedeckt werden !
„Falls das Higgs Teilchen existiert, wird es am LHC entdeckt werden ! “
Entdeckung p > 99.9999 %
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
„Am LHC können erste Messungen der Eigenschaften des Higgs-Bosons durchgeführt werden“
• Massenbestimmung mit einer Genauigkeit von ~ 0.1 %
• Erste Bestimmung von Verhältnissen von Kopplungskonstanten (Genauigkeit: 10-20%)
Präzise Vermessung der Absolutwerte der Kopplungen TESLA
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
„Auch ein supersymmetrischer Higgs Sektor kann abgedeckt werden“
h,A,H,H
h,A,H,H
h,H
h
h,H
h,A,H
H,H
h,H,H
h,H
• Falls supersymmetrische Teilchen existieren, werden mindestens fünf Higgs-Teilchen erwartet
• Über weite Bereiche des Parameterraums können mehrere dieser Higgs-Teilchen entdeckt werden
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
„Sollte das Higgs-Teilchen nicht existieren, müssen am LHC Anzeichen einer neuen Wechselwirkung sichtbar werden“
• Der beste Test: Untersuchung der Streuung von W-Bosonen, die dann im Energiebereich von ~ 1 TeV stark wechselwirken müssen • Nachweis von Resonanzen, die in Vektorbosonen zerfallen (ZW, Z, ….)
LHC: Sensitivität für Massen bis ~ 1.5 TeV
• Starke WW-Streuung unterhalb der Resonanzregion TESLA
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Die Suche nach Supersymmetrie (SUSY)
„Falls supersymmetrische Teilchen mit Massen unterhalb von ~ 3 TeV existieren, können sie am LHC entdeckt werden“
• Die Squarks und Gluinos werden als Partnerteilchen der Quarks und Gluonen in starker Wechselwirkung erzeugt (hohe Raten)
q
p p
g
q
SUSY-Teilchen zerfallen in Kaskaden in das leichteste SUSY Teilchen
(Neutralino, Kandidat der dunklen Materie, verlässt den Detektor ohne Wechselwirkung)
Signatur: fehlende Energie
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
1 Monat: Masse ~ 1.5 TeV 1 Jahr: Masse ~ 1.9 TeV 3-4 Jahre: Masse ~ 2.5 TeV
LHC-Reichweite für Squark- und Gluinomassen:
Evidenz für Squarks u. Gluinos
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Zur Bestimmung von Modellparametern:
• Weitere Suche nach Leptonen (e,,), Photonen und b-Quark Jets in SUSY Ereignissen
• Beispiele: 02 0
1 + - 02 0
1 h 0
1 bb
• Die vollständige Bestimmung der SUSY-Parameter ist schwierig
Endpunkt:
M = M(02) - M(0
1)
• Direkte Messungen von Massen der Sleptonen und Neutralinos
an einem e+e- Beschleuniger sind wesentlich !
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Weitere Neue Physik am LHC ? Beispiel: Zusätzliche Raumdimensionen
21 8 DN MRG
MDmax = 9.1, 7.0, 6.0 TeV
für = 2, 3, 4
Ausdehnung: 10-5, 10-10, 10-12 m
: # neuen Dimensionen MD = Skala der GravitationR = Radius (Ausdehnung)
„Die LHC-Detektoren sind auch gerüstet, neue unerwartete Physik zu entdecken !“
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Das LHC-b Experiment
• Experiment zur Erforschung der CP-Verletzung im System der B-Mesonen
• Hohe Ereigniszahlen: 1012 bb-Paare pro Jahr
• Wichtige Präzisionsmessungen
Dresden, HeidelbergMPI Heidelberg
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Das ALICE-Experiment
Extreme Energiedichten (100 mal größer als in Kernmaterie)
Ziel: Untersuchung eines neuen Materiezustands: Quark-Gluon Plasma
TU Darmstadt, GSI Darmstadt,Frankfurt, Heidelberg, Münster
Kollisionen von Blei – Kernen:
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Zusammenfassung„LHC ist eine Entdeckungsmaschine, die den physikalisch interessanten Energiebereich von 0.1 - ~3 TeV erforscht“
• Die Fragen nach der Existenz des Higgs-Teilchens und supersymmetrischer Teilchen können geklärt werden.
• Auch für weitere neue Phänomene bieten die Experimente ein großes Entdeckungspotenzial.
• Von LHCb und ALICE sind große Fortschritte in der Physik der b-Quarks bzw. in der Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas zu erwarten.
• Die großen technischen Herausforderungen sind in Forschungs- und Entwicklungsprojekten gelöst worden.
• Die Fertigstellung des Beschleunigers und der Experimente sowie richtungsweisende Entdeckungen werden mit Spannung erwartet.
K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland , Bonn, Nov. 2002
Suche nach Quarks und Gluinos• Charakteristische Signatur der Squark- und Gluinoproduktion im Detektor: mehrere Jets und fehlende Energie
Beispiel: SUSY Modell mit Squarks und Gluinos mit einer Masse von 1.5 TeV
Standard- modell
Deutliche Signatur:
Partnerteilchen von Quarks und Gluonen können am LHC nicht übersehen werden
Die Form des Spektrums ist sensitiv auf die Massen der SUSY-Teilchen