Meilensteine der Teilchenphysik Ab ca. 1900 Quantenmechanik, Atomphysik Ca. 1940 … 1950...
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Meilensteine der Teilchenphysik
Ab ca. 1900Quantenmechanik,Atomphysik
Ca. 1940 … 1950Quantenelektrodynamik
Ca. 1950 … 1965Kerne, Hadronen, Symmetrien,Feldtheorien
Ca. 1965 … 1975Quarkmodell, Eichtheorien
Ca. 1970 … 1983Quantenchromodynamik,elektroschwache Vereinigung -W/Z am SppS (UA1, UA2)-
= h/p Energie T t-1/2
10-10 m 10 eV > 3.105 a
10-15 m MeV-GeV 3 min
10-16 m >> GeV 10-6 s
10-18 m 100 GeV 10-10 s
Meilensteine der Teilchenphysik
e
e
ud
cs
bt
R G B
6 Leptonen
6 Quarks
LEP 19903 FamilienTevatron (CDF, D0) 1994Top-QuarkSuperkamiokande et al. 1998Neutrino-Oszillationen Tevatron (DONUT) 2000-NeutrinoCERN 2000Quark-Gluon-Plasma
10-19 m 1 TeV 10-12 s
10-32 m 1016 GeV 10-32 s
10-35 m 1019 GeV 10-43 s
Grand Unification …?
Superunification, Quantengravitation,..?
CERN-LHC ab 2007Higgs, SUSY, …?
3 Farben / Quark
Offene Fragen der Teilchenphysik
Ursprung und Hierarchie der TeilchenmassenUrsprung und Hierarchie der TeilchenmassenGibt es ein Higgs-Teilchen und was ist seine Masse?
Wie muß das Standardmodell erweitert werden?Wie muß das Standardmodell erweitert werden?Supersymmetrie, Grand Unified Theories, …
Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen?Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen?Gibt es mehr als drei leichte Generationen?Gibt es mehr als drei leichte Generationen?Gibt es schwere Neutrinos?Gibt es schwere Neutrinos?Asymmetrie zwischen Materie und AntimaterieAsymmetrie zwischen Materie und Antimaterie
Stabilität des ProtonsWoraus besteht die dunkle Materie des Kosmos?Woraus besteht die dunkle Materie des Kosmos?Ursprung des quantenchromodynamischen ConfinementUrsprung des quantenchromodynamischen Confinement
Quark-Gluon-PlasmaWie kann die Gravitation eingebunden werden?Wie kann die Gravitation eingebunden werden?
Livingston-Diagramm
Die sukzessive Erhöhung der Strahlenergie beruht auf Fortschritten in der Beschleunigertechnologie. Supraleitende Magneten ermöglichen Proton-Proton-Kollisionen mit Schwerpunktsenergie √s = 14 TeV am LHC.
Parameter des Large Hadron Collider
Proton- ProtonUmfang: 27 kmTeilchenpakete: 3564 + 3564 Protonen / Paket: 1011
Strahlenergie: 2 x 7 TeVLuminosität: 1034 cm-2s-1
Strahlkreuzungsintervall: 25 nsKollisionsrate: 107 … 109 HzFlußdichte der Dipolmagneten: 8.4 TAnzahl der Dipolmagneten: ca. 1200
Schwerionen (Pb-Pb, S-S, etc.)Strahlenergie: bis zu 5.5 TeV/NukleonenpaarLuminosität:1027 cm-2s-1 für Blei3.1031 cm-2s-1 für SauerstoffStrahlkreuzungsintervall: 125 ns
Parton
Pakete
LHC-Beschleunigertechnologie
String-Test für Dipolmagnete
LHC-Beschleunigertechnologie
Supraleitende Hochfrequenzkavität
Wirkungsquerschnitte
Wirkungsquerschnitte für verschiedene Prozesse variieren über viele Größenordnungen
• inelastisch: 109 Hz• W lv: 100 Hz• tt: 10 Hz• Higgs (100 GeV): 0,1 Hz• Higgs (600 GeV): 0,01 Hz
Erforderliche Selektivität 1 : 10 10 - 11
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Zielsetzungen der LHC-Experimente
Standardmodell-PhysikStandardmodell-PhysikQCD, elektroschwache Theorie (Higgs, W, Z, Top, Jets, …)
SupersymmetrieSupersymmetrieSUSY-Higgsbosonen, andere supersymmetrische Teilchen, ...
Andere Erweiterungen des StandardmodellsAndere Erweiterungen des StandardmodellsCompositeness, Technicolor, Leptoquarks, neue schwere Vektorbosonen, ...
B-PhysikB-Physik CP-Verletzung, B0-B0 Oszillationen, seltene B-Zerfälle, ...
SchwerionenphysikSchwerionenphysikQuark-Gluon-Plasma
Physik bei kleinen WinkelnPhysik bei kleinen Winkeln total, elastische Streuung, Diffraktion
Neue PhänomeneNeue Phänomene
Experimente am LHC
TOTEM
Experimentelle Herausforderungen
Pile-upPile-uptot tot 100 mb, 100 mb, hohe Luminosität -> bis zu 25 p-p-Kollisionen pro Strahlkreuzung, 1000 geladene Teilchen in || < 2.5Konsequenzen für Detektoren:Kleine Signalantwortzeiten (typisch 25 bis 50 ns)Hohe Granularität (> 108 Kanäle)Hohe Strahlungsfestigkeit (Fluß 1017 Neutronen/cm2,Dosisleistung bis zu 107 Gy nach 10 Jahren Betrieb) inStrahlnähe
QCD-UntergrundQCD-UntergrundRate dominiert durch Jet-Produktion (qq -> qq, gg -> qq etc.), daher i.a. in der Praxis nur Zerfälle mit Leptonen und Photonen verwendbar. Ereignisrate daher klein.
Wo ist das Higgs?
18 überlagerte p-p-Kollisionen im inneren Teil des CMS-Trackers, darunter 18 überlagerte p-p-Kollisionen im inneren Teil des CMS-Trackers, darunter 4 Müonspuren von einem Higgszerfall4 Müonspuren von einem Higgszerfall
Hier!
Transversalimpulsschnitt von pTransversalimpulsschnitt von pTT > 2 GeV nach Spurrekonstruktion > 2 GeV nach Spurrekonstruktion
Neutronenfluß in CMS
Neutronen pro cmNeutronen pro cm22 für 5 x 10 pb für 5 x 10 pb-1-1
Dosisleistung in CMS
Dosisleistung in Gy für 5 x 10 pbDosisleistung in Gy für 5 x 10 pb-1-1
Typischer Detektoraufbau
Leichte MateralienLeichte Materalien
Schwere MateralienSchwere Materalien
Schwere MateralienSchwere Materalien(Eisen oder Kupfer + aktives Material)(Eisen oder Kupfer + aktives Material)
Materalien mit hoher Protonen-Materalien mit hoher Protonen-zahl + aktives Materialzahl + aktives Material
Elektromagnetische undElektromagnetische undhadronische Kalorimeterhadronische Kalorimeter•Teilchenidentifikation (e, , Jets, fehlendes ET)•Energiemessung
MüondetektorenMüondetektoren•Müonidentifikation•Impulsmessung
ZentraldetektorZentraldetektor•Spuren•Impulsmessung•Vektor zu elektromagnetischen Schauern•Vertices
Magnetkonfigurationen
Die Magnetkonfiguration bestimmt die Charakteristik eines LHC-Experiments.
ATLASA Toroidal LHC Apparatus
CMSCompact Muon Solenoid
ATLAS-Toroide
Prototyp eines Barrel-ToroidsPrototyp eines Barrel-Toroids(Spitzenflußdichte 3.9 Tesla)(Spitzenflußdichte 3.9 Tesla)
CMS-Solenoid
Modellmaschine zur Herstellung der Spule Magnetjoch
Größtes Solenoid der Welt4 Tesla maximale Flußdichte2.5 GJ gespeicherte Energie
ATLAS-Detektor
CMS-Detektor
CMS-Detektor
Detektoren in ATLAS und CMS
ATLAS CMSMagnete Toroide und zentrales Solenoid (2T)
4 MagnetenSolenoid (4T)1 Magnet
Spurendetektor
Em.Kalorimeter
Silizium (Pixel- und Streifengeometrie)"Transition Radiation"-Detektor zurTeilchenidentifikation/pT ≈ 5 x 104 pT/GeV + 0.01
Bei Füiaro
Siiziu (Pixe udSreieeo erie)
/pT ≈ 1.5 x 104 pT/GeV +0.005
PbWO 4Kriae/E ≈ 10%/√E/GeV + 1% /E ≈ (25)%/√E/GeV + 0.5%
Hadrokaor. EieSziiaor + KuperFüiaro KuperSziiaor + Faer
Müoye
/E ≈ 50%/√E/GeV + 3%
3 SaioeDrika er +Kaodereieka er (Tracki)Reiive Pae Caber +Ti Gap Caber (Trier)
/E ≈ 65%/√E/GeV + 5%
4 SaioeDrika er +Kaodereieka er,Reiive Pae Caber(Tracki + Trier)
Trigger und Datenakquisition
ATLASATLASUniversität Innsbruck: Simulationsstudien (B-Physik, …), Physikanalyse
CMSCMSInstitut für Hochergiephysik der ÖAW:Globaler TriggerprozessorRegionaler + globaler MüontriggerprozessorBau von Modulen und Steuerelektronik des Silizium-Trackers und PixeldetektorsBau von Teilen des Alignment-SystemsSoftware, Simulationsstudien (SUSY, …), Physikanalyse
Neue Mitarbeiter und Studenten (Sommer, Diplomarbeiten, Dissertationen) willkommen!
Österreichische Beiträge zu LHC-Experimenten
And so we say good-bye We hope you have enjoyed the world of particles as much
as we do. We have so much to learn, to increase man’s knowledge and his control over his environment
THE END
B. Southworth, G. Boixader (CERN)