Die neuen großen Beschleuniger und ihre Schlüsselrolle -Der Large Hadron Collider LHC - Die...

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Die neuen großen Beschleuniger und ihre Schlüsselrolle -Der Large Hadron Collider LHC - Die Fragestellungen Der Large Hadron Collider Die Experimente Die Antworten: das Physikpotenzial Karl Jakobs Institut für Physik Universität Mainz

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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

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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

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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

qq

H

WW

Keine Leptonen/Photonen im Anfangs- und Endzustand

Quark-Quark Streuung:q

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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)

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ATLAS Detektorkonstruktion

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

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CMS Detektorkonstruktion

Die Suche nach dem Higgs Teilchen

Wichtige Zerfälle zum Nachweis am LHC:

• H Z Z (der goldene Kanal)

• H

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ATLAS

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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 %

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„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

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„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

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„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

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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

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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

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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 !

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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 !“

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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

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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:

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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

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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