Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik

K.Hoepfner, T.Hebbeker, S.Roth, O.Pooth, D.Lanske

RWTH Aachen, Seminar SS 2004

Proton-Proton Kollisionen bei höchsten Energien

KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 2

Organisation

Seminartermin: waehrend des Semsters, Dienstag um 8:30 (oder Montag 8:30), Physikzentrum Raum 26C201

Ablauf: - Vortrag ca. 45 min + 15 min Diskussion - Ausarbeitung (ca.10 Seiten) innerhalb von 3 Wochen nach dem Vortrag abzugeben - Alle Beteiligten kommen zu allen Vortraegen.

Thema bitte frühzeitig auswählen (siehe Themenliste). Betreuer wird bekannt gegeben.

Themen, Betreuer u.a. Informationen auf

http://www.physik.rwth-aachen.de/~hoepfner/Teaching/seminar_SS04.html

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Themenübersicht

1. Das Standardmodell der Teilchenphysik

2. Beschleuniger

3. Die Tevatron Proton-Antiproton Experimente

4. Die LHC Proton-Proton Experimente

5. Quantum Chromodynamik

6. Physik der elektroschwachen W und Z Bosonen

7. Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs-Suche

8. Ist die Welt super symmetrisch?

9. beauty-Physik

10. B-Oszillationen

11. Entdeckung des top-Quark am Tevatron

12. Nächste Generation top-Physik

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CERN

Moderne pp-Kollider untersuchen Universum ~10-10 s nach dem Urknall

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Beiträge der RWTH Aachen

CMS Detektor am LHC

Außerdem

Die einzelnen Themen

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Das Standardmodell der Teilchenphysik

Fundamentale Teilchen Spin-1/2 Fermionen:

Teilchen Ladung Masse Teilchen Ladung Masse

Elektron 1 0.5 10-3 GeV e0 < 2.05 10-9 GeV

Muon 1 0.1056 GeV 0 < 1.17 10-5 GeV

Tau 1 1.777 GeV 0 < 0.018 GeV

u-quark 2/3 1.5-4.5 10-3 GeV d-quark -1/3 5-8.5 10-3 GeV

c-quark 2/3 1-1.4 GeV s-quark -1/3 80-155 10-3 GeV

t-quark 2/3 174 +- 5 GeV b-quark -1/3 4-4.5 GeV Qua

rks

L

epto

ns

Die meisten experimentellen Daten korrekt beschrieben.

Wechselwirkungen Spin-1 Bosonen:

Elektromagnetisch Photon g masselos

Schwach Z-Boson Z0 91 GeV

Schwach W-Boson W+, W- 80 GeV

Stark Gluon g masselos

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Beschleuniger

Injektion

p

p

LHC Dipol

LHC

TeVpp

TeVpp

14LHC

2Tevatron(main ring)

Tevatron Upgrade

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Die Tevatron pp-Experimente

Tevatron = TeV Beschleuniger

z.Zt. größter Beschleuniger

TeVpp 2CDF

-

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Die LHC pp-Experimente

9 km

TeVs 14Proton-Proton

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Quantum Chromo Dynamik (QCD)

LHC ist QCD !

Erste LHC Ergebnisse = QCD. Großer Wirkungsquerschnitt erlaubt Studien mit wenig Daten.

Quantum Chromo Dynamik: Eichtheorie, Quarks mit 3 Farben (r,g,b) und 8 Gluonen (Farbe + Antifarbe)

Starke Kraft (hält Atomkerne zusammen)

Baryonen: Proton (uud), Neutron (udd) Mesonen; Pion (ud)

Kopplungskonstante s

-

Struktur des Protons

Fragmentation im Detektor Jets

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Elektroschwache W und Z Bosonen

1983 Austauschbosonen der schwachen Kraft (W,Z) entdeckt am SPS. Nobelpreis 1984

Genaue Messung der Eigenschaften am LEP

Z.Zt. Messungen bei höchsten Energien am Tevatron

Entdeckung am SPS

Heute am Tevatron

We

ZW/Z ist eine Standardkerze für „high pT“ Physik

Ideal für Kalibration und Präzision

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Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs Suche

Idee: Higgs Mechanismus

Aber: Masse des Higgs Teilchens nur experimentell bestimmbar

Experimentell gemessene Massen fundamentaler Teilchen: ~10-3 eV ..... 1011 eV

Problem: Massenerzeugung unklar

Aufregung bei LEP

!

LHC kennt die Antwort

114 GeV < mH < 1000 GeV

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Ist die Welt super-symmetrisch?

W.d

e B

oe

r a

t a

l.

TeV Massenskala: neue Teilchen symmetrisch zu bekannten aber schwerer

Am LHC sichtbar durch signifikante Zerfallssignatur

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beauty-Physik

Sehr kurzlebige Teilchen Nachweis Zerfallsvertex erfordert hohe Auflösung

D0 Silizium Vertex Detektor

Messung B-Lebensdauer in D0 = 1.76 0.24 (stat) ps

Teilchen Meßwert

B+ Masse 5280.6 ± 1.7 ± 1.1 [MeV/c2]

B0 5279.8 ± 1.9 ± 1.4 [MeV/c2]

BsLebensdauer 1.26 ± 0.20 (stat) ± 0.02 (syst) ps

Zerfall Verzweigungsverhältnis

D0 ≤2.4 x 10-6 @ 90% C.L.

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B-Oszillationen Bs und Bs Überlagerungen von 2 Eigenzuständen (BH, BL), ählich wie bei

Kaonen aber stärkere Oszillation.

-

s

b

b

s

t

t

WW0sB 0

sB

Oszillationsfrequenz

LHs mmmf

1

1

25...20

1.13

psm

psm

s

s LEP + Tevatron

Oszillationen sehr schnell gute Zeitauflösung. Bisher noch nicht gesehen.

Nur an hadronischen Beschleunigern möglich

Guter Platz für neue Physik, z.B. neue Teilchen in Schleifen

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Entdeckung des top-Quark

Erst 02.03.1995 entdeckt (Tevatron).

Schwerer als erwartet.

mtop~180 GeV. Warum

CDF Detektor

?!top nicht sichtbar, zerfällt sofort

Experimentelle Herausforderung

Phys.Rev.Lett.73 (1994) 225.

CDF Detektor

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Nächste Generation Top-Physik

Wichtige Fragen: Top einzigstes Elementarteilchen schwerer als

W,Z Test elektroschwache Kraft! Neue Physik?

Top Masse: Unterschiedliche Massen gemessen 172 GeV und 180 GeV. Einfluß auf Higgs Vorhersage!

Studium der Eigenschaften des top-Quarks

ℓ

Produktion und Zerfall Experimenteller Nachweis erfordert b-tagging!

e

DØ

Aber auch Untergrund mit ähnlicher Signatur.

Das Ende