Large Hadron Collider Das LHC-Experiment Markus Kern HS Schlüsselexperimente der...

Large Hadron Collider

Das LHC-ExperimentDas LHC-Experiment

Markus Kern

HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik

WS 2008/09


InhaltInhalt

• Ein kurzer Überblick über den LHC

• Die Physik am LHC– Die Suche nach dem Higgsboson– Supersymmetrie

• Der CMS-Detektor im Detail


Der Large Hadron ColliderDer Large Hadron Collider


Der LHC im ÜberblickDer LHC im Überblick

• 27 km Umfang• 100 m unter der Erde• 7 TeV pro Protonenstrahl• Beschleunigung der p auf

99,9999991% von c• LHCb: Untersuchung der

CP Verletzung in B- Mesonensystemen

• ALICE: Erzeugung und Untersuchung eines Quark-Gluonen-Plasmas


BeschleunigerrohrBeschleunigerrohr

• 15 m Länge• 35 t Gewicht• über 1000 Stück• Nb-Ti-Legierung

supraleitend unter 10K• Magnetfeld von 8,33 T

bei 1,9 K • 11 700 A notwendig

zum Aufbau des Magnetfelds


Stillstand des LHCStillstand des LHC

• Magnettest Sektor 3-4• Defekte elektrische

Verbindung • Lokale Erwärmung• Supraleitung geht

verloren• Schäden an Kabeln,

Rohren und Magneten• Heliumaustritt• Wiederinbetriebnahme

voraussichtlich Juli 2009


Das StandardmodellDas Standardmodell

• Das Standardmodell ist eine Eichtheorie, die auf der Eichgruppe SU(3)Cx SU(2)W x U(1)Y beruht.

• Eichprinzip: Die Invarianz einer Gleichung, unter lokalen (ortsabhängigen) Phasentransformationen, erfordert die Existenz eines Vektorfeldes, das mittransformiert wird.

• Bsp: Lokale Transformationen bzgl. SU(3)C führen zur Existenz der Gluonenfelder.

• Eichprinzip setzt masselose Teilchen voraus.• Experimente zeigen W‘s und Z haben Masse.• Higgsmechanismus rettet Eichprinzip durch Einführung

des Higgsfelds und des Higgsbosons.


HiggsproduktionHiggsproduktion


WirkungsquerschnitteWirkungsquerschnitte


HiggszerfallHiggszerfall


Higgszerfall IIHiggszerfall II


Probleme des StandardmodellsProbleme des Standardmodells

• Das Eichproblem: Warum gibt es 3 unabhängige Eichgruppen? Ist nur eine Eichgruppe möglich?

• Das Parameterproblem: Es gibt mindestens 18 freie Parameter im SM. Können sie reduziert werden?

• Das Ladungsproblem: Warum sind die el. Ladungen von Elektron und Proton genau entgegengesetzt?

• Das Hierarchieproblem: Warum ist die schwache Skala so klein verglichen mit der GUT-Skala?

• Das Fine-Tuning-Problem: Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse sind viele Größenordnungen größer als die Masse selbst, daher müssen die Parameter des Higgspotentials unnatürlich fine-getunt werden.


SupersymmetrieSupersymmetrie

• Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen• SUSY Partner von Fermionen erhalten ein

vorangestelltes „s“ • Bei Bosonen ersetzt man die Endung „on“ durch

„ino“ oder hängt ein „ino“ an• Perfekte Symmetrie erfordert identische Particle-

und Sparticlemassen• Bisher keine Sparticles gefunden

SUSY ist eine gebrochene Symmetrie


Lösung des EichproblemsLösung des Eichproblems

• Supersymmetrisches Modell erlaubt die Vereinigung der WW bei hohen Energien

• Im SM nicht möglich, da kein gemeinsamer Schnittpunkt vorhanden


Lösung des Fine-Tuning-ProblemsLösung des Fine-Tuning-Problems

• Strahlungskorrekturen enthalten nun auch Superpartner, diese unterscheiden sich nur durch das Vorzeichen

Korrekturen heben sich gegenseitig auf


MSSMMSSM• Das MSSM ist die kleinstmögliche Erweiterung des SM

zu einem supersymmetrischen Modell• Existenz einer neuen multiplikativen Quantenzahl

„R-Parität“, Erhaltungsgröße im MSSM

• SM-Teilchen: R=+1 SUSY-Teilchen: R=-1• Konsequenzen:

– Das LSP ist stabil und damit ein Kandidat für dunkle Materie– Sparticles können nur paarweise erzeugt werden– Jedes schwerere Sparticle zerfällt in eine ungerade Anzahl von

LSPs

S2LB31R


Nachweis eines SUSY EreignissesNachweis eines SUSY Ereignisses

• Zerfallskette der Sparticles endet mit den LSPs, die mit dem leichtesten Neutralino identifiziert werden

• Ohne WW mit normaler Materie können LSPs aus dem Detektor entkommen

• Nachweismöglichkeit durch fehlende Energie


Der CMS-DetektorDer CMS-Detektor


Teilchenspuren im DetektorTeilchenspuren im Detektor


PixeldetektorPixeldetektor

• 65 Millionen Pixel• 3 zylindrische Schichten mit 4cm, 7cm und 10cm

Abstand zum Teilchenstrahl• Teilchen erzeugen beim Durchfliegen

Elektronen-Loch-Paare elektrische Signale


StreifendetektorStreifendetektor

• 10 Lagen Siliziumstreifendetektoren

• Fläche über 200m2

• Unterschiedliche Ausrichtung der Streifen erlaubt 3D Rekonstruktion der Teilchenspur


Karlsruher BeteiligungKarlsruher Beteiligung

• 8000 Sensoren wurden mit 2 selbstentwickelten automatischen Probestationen überprüft

• Über 100 Petals wurden gebaut

• Jedes Petal enthält

ca. 20 Module mit

ca. 16000 Streifen


ECALECAL

• Szintillationskalorimeter• Besteht aus fast 80 000 PbWO4 Kristallen.• Kurze Strahlungslänge: X0=0,89cm• Schnelle Reaktionszeit: 80% des Lichts werden in 25ns

emittiert• Geringe Lichtausbeute: 30γ/MeV


HCALHCAL

• Die Absorber bestehen aus Messingplatten• Hohe Dicke des Absorbers notwendig, da Hadronen ihre

Energie hauptsächlich durch starke WW mit den Kernen verlieren

• Die Detektoren sind Plastikszintillatoren bzw. Quarzfasern

• Schauerbildung komplizierter als im ECAL, da verschiedenste Sekundärteilchen entstehen können


SolenoidSolenoid

Der CMS Magnet– ist der größte supraleitende Magnet, der je gebaut wurde– wiegt 12 000 Tonnen– ist 100 000 mal stärker als das Erdmagnetfeld– hat genug Energie um 18 Tonnen Gold zu schmelzen


Der MyonendetektorDer Myonendetektor

• Verschiedene mit Gas gefüllte Driftkammern angepasst an die Myonenrate

• Durchgehende Myonen ionisieren das Gas• Elektronen driften zu positiv geladenen Drähten• Ort des Durchgangs lässt sich durch Messung der

Driftzeit berechnen


QuellenverzeichnisQuellenverzeichnisPeter Schmüser: Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker. Berlin,

Heidelberg 1995.Rabindra N. Mohapatra: Unification and Supersymmetry. The Frontiers of Quark-Lepton

Physics. New York, Berlin, Heidelberg 2003.David Griffiths: Introduction to Elementary Particles. Weinheim 2008.W. de Boer, A. Sopczak, S. Kappler: Experimentelle Teilchenphysik. Karlsruhe 1999.W. de Boer: Grand Unified Theories and Supersymmetry in Particle Physics and

Cosmology. hep-ph/9402266.Stephen P. Martin: A Supersymmetry Primer. hep-ph/9709356.Gianfranco Bertone, Dan Hooper, Joseph Silk: Particle dark matter: evidence, candidates

and constraints. In: Physics Reports 405 (2005) 279–390.Gunnar Klämke: Higgs plus 2 Jet Produktion in Gluonfusion. Karlsruhe 2008.D. Acosta, A. De Roeck, U. Gasparini u. a.: CMS Physics, Technical Design Report,

Volume I: Detector Performance and Software. CERN 2006.A. De Roeck, M. Grünwald, J. Mnich u. a.: CMS Physics, Technical Design Report,

Volume II: Physics Performance. CERN 2006.http://public.web.cern.ch/public/http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/index.html


Quellenverzeichnis IIQuellenverzeichnis IIDie Zahlen in eckigen Klammern geben die Foliennummer an.[3] http://media.arstechnica.com/news.media/LHC.jpg[4] http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/history/historypictures/LHC-

drawing-half.jpg[5] http://mediaarchive.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/1999

/9906025/9906025_01/9906025_01-A5-at-72-dpi.jpg[6] http://static.guim.co.uk/Guardian/news/gallery/2007/aug/06/internationalnews/0606

026_01-179.jpg[8] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_prod_graphs_new.jpg[9] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_prod_xs.jpg[10]http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_bratio.jpg[11]oben links http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/

Website/Physics/Higgs/100GeV.jpgunten links https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr2-figs/images/Figure_%20CP-001.jpgoben rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/Higgs/150GeV_1.jpgunten rechts https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr2-figs/images/Figure_%20CP-003.jpg

[14] http://www.physik.uzh.ch/~kmueller/text/vorlesung/susy/img34.gif[15] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/68/Hqmc-vector.svg/300px-

Hqmc-vector.svg.png


Quellenverzeichnis IIIQuellenverzeichnis III[17] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/

SUSY/Susy_2.jpg[18] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/af/CMScollaborationPoster.png[19]

http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Media/Videos/Animations/files/CMS_Slice.gif

[20] links http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/siliziumdetektor.jpgrechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/

Resources/Website/Detector/Tracker/Pixelement.gif[21] links

http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Detector/Tracker/Barrel.gifrechts https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr1-figs/Figures/Figure_001-009.jpg

[22] oben http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/silizium_sensor.jpgunten http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/petalproduktion3.jpg

[23] links http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~jwagner/SS08/talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 31rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Media/Images/Gallery/ECAL/EB/HighRes/oreach-2001-001.jpg

[24] http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~jwagner/SS08/talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 32[25]

http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Detector/Magnet/0509015_14-A4-at-144-dpi_thumb.jpg

[26] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Detector/Muons/DT.gif

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