Quo Vadis Standard-Modell? Teilchenphysik mit ATLAS bei LHC · ATLAS-Detektor. Physikalisches...

Quo Quo VadisVadis StandardStandard--ModellModell??TeilchenphysikTeilchenphysik mitmit ATLAS ATLAS beibei LHCLHC

Stefan Tapprogge

Institut für Physik,ETAP Gruppe

Physikalisches KolloqiumMainz, 26. Oktober 2004

Physikalisches Kolloqium Mainz, 26. Oktober 2004 Stefan Tapprogge, Mainz page 2

ÜÜberblickberblickl Standard-Modell der Teilchenphysikà Bausteine der Materie und Wechselwirkungenà Präzisionsmessungenà Offene Fragen im Standard-Modellà Physik bei LHC

l Der LHC Beschleunigerl Der ATLAS Detektorl Physik-Potential bei ATLASà Beispiele für erwartete Messungen

l Das Trigger- und Datenerfassungssysteml Zusammenfassung und Ausblick


StandardStandard--ModellModell


BausteineBausteine und und WechselwirkungenWechselwirkungen


StandardStandard--Modell auf 1 SeiteModell auf 1 Seitel Lagrange-Dichte

l Eichsektor

l Flavour-Sektor

l ElektroschwacheSymmetriebrechung

l Neutrino-Massen


HiggsHiggs--MechanismusMechanismusl Einführung eines

skalaren Feldesm Feld ist symmetrischmGrundzustand bricht Symmetrie

à Spontane Symmetriebrechungl Zwei unabhängige Felderà massives Teilchen (Higgs)à Masseloser Freiheitsgrad

m zusätzlicher PolarisationszustandèMasse für Vektorbosonen

lMasse der Fermionen durch Yukawa-artige Kopplungà Kopplung an Fermionen ~ mf

2


PrPrääzisionsmessungenzisionsmessungen


Vorhersage fVorhersage füür die r die HiggsHiggs--MasseMassel Standard-Modell Anpassungà log(MHiggs/GeV) = 2.06 ± 0.21à MHiggs = 114 +69

-45 GeVà MHiggs < 260 GeV (95% C.L.)

l Direkte Suche(LEP)

à MHiggs > 114.4 GeV(95% C.L.)


StandardStandard--ModellModell: : OffeneOffene FragenFragenl Brechung der elektroschwachen Symmetrieà Beschreibung durch Higgs-Mechanismus?

l Massen der Leptonen und Quarksà Hierarchie der Quarkmassenà (kleine) Masse der Neutrinos

l Warum 3 Fermion-Familien?à Symmetrie der Lepton/Quark Struktur

l Quantisierung der Ladungl Universumà Warum durch Materie dominiert ?à Was ist ‘dunkle Materie’ ?à Rolle der ‘dunklen Energie’

l Vereinheitlichungen aller Kräfteà Rolle der Gravitation, zusätzliche Raum-Zeit Dimensionen?


PhysikPhysik--Ziele bei LHCZiele bei LHCl Higgs-Beobachtung und Vermessungl Präzisionsmessungenà top-Quarkmasse und Eigenschaftenà W-Bosonmasseà Vektorboson-Selbstkopplungen

l Neue Physik jenseits des Standard-Modellsà Supersymmetrieà Zusätzliche (versteckte) Raum-Zeit Dimensionenà Substruktur der Fermionen (insb. Quarks)

l Außerdemà B-Hadron Physik

m CP-Verletzung im b-Quarksystemà Schwerionenphysik

m Kernmaterie bei höchsten Energie- und Teilchendichtenà Vorwärtsphysik (?)

m (diffraktive) Prozesse mit führenden Baryonen und ‘Rapidity Gaps’


LHCLHC--BeschleunigerBeschleuniger



~ 100 m

8.6 km


l pp Kollisionen bei √s = 14 TeV mit Rate von 40 MHzà Hohe Luminosität L = 1034 cm-2 s-1 (Rate = L ∗ σ)

m 100 Ereignisse pro Jahr für Wirkungsquerschnitt σ von 1 fb

l Einbau in existierenden LEP-Tunnelà Radius von 4.3 kmà Über 1200 supraleitende Dipol-Magnete (B = 8.3 T - NbTi @ 1.9 K)

l Hohe Luminosität erzielt überà pp anstelle von pp (Tevatron)à hohe Intensität pro Paket

m 1011 p pro Paketà viele (2808) Pakete

m 25 ns Paketabstandl Ebenfalls vorgesehen:à Kern-Kern Kollisionen

m Kerne: Pb, Sn, Kr, Ar, O (z.B. Pb+Pb bei √s = 1180 TeV)à Proton-Kern Kollisionen

Parameter der MaschineParameter der Maschine

_ 25 ns


Herausforderungen an ExperimentHerausforderungen an Experimentl Hohe Kollisionsfrequenz (40 MHz)l ~ 25 unelastische

Wechselwirkungen pro Paketkollisionà Zusätzliche Produktion

von Teilchen –neben interessantemPhysik-Ereignis

l Strahlungsresistenzà Bis zu 1016 n pro cm2 und

Jahr für Kalorimeter im Vorwärtsbereich

à Bis zu 1015 n pro cm2 undJahr für zentrale innere Spurdetektoren

l Lösungsansätzeà Schnelle Detektoren / Elektronikà Hohe Granularitätà Präzision (Energie-, Impulsmessung, …)

Reconstructed tracks with pt > 25 GeV


Status der KonstruktionStatus der Konstruktionl Produktion der >1000 Dipole im Planà Auf Halde bereit zur Installation

l Probleme bei der Installation der Kühlleitungen (suprafluides He)à Beginn im

Novemberà Aufholen der

Verzögerungdurch mehrparallele Schichten

l Inbetriebnahmeà April 2007: Beginn Umlauf eines Strahlsà Sommer 2007: Kollision zweier Strahlen

m Sehr wenige Pakete am Beginnm 936 auf 936 Pakete (75 ns Paket-Abstand) m 2808 auf 2808 Pakete (Erreichen nomineller Bedingungen)


ATLASATLAS--DetektorDetektor


TeilchenphysikTeilchenphysik--DetektorDetektorl Prinzipieller Aufbauà Spurdetektor zur

Impulsmessung von geladenen Teilchenm in Magnetfeld

à Kalorimeter zur Energiemessung von neutralen und geladenen Teilchenm Unterscheidung elektro-

magnetisch und stark wechselwirkender Teilchenà Myon-System zur Impulsmessungà Trigger und Datenerfassung zur Ereignisauswahl

l Vielzweckdetektor zur Rekonstruktion von Ereignissen über Signaturen mit e, γ, µ, τ, jet, b-jet, …à Schwach wechselwirkende Teilchen (ν, …) über Energie-

Impulserhaltung („fehlende Transversalenergie“)à Energiebereich von einigen GeV bis zu einigen TeV


Der Der ATLASATLAS--DetektorDetektorl Länge: 46 m, Durchmesser 25 ml Gewicht: 7000 t (>60% des Eiffelturms)

l 3000 km Kabell Datenmenge pro

Sekunde: 10000 Encyclop. Britannica


Die ExperimentDie Experiment--KaverneKavernel Etwa 100 m unter

der Oberflächel UX15 (Experiment) à Weitere

Kavernefür dieElektronikm Länge 65 m

à InstallationdesDetektorshat begonnen


KonstruktionsKonstruktions--StatusStatusl Magneteà 2 T Solenoid

m In Kalorimeter-Kryostatintegriert

0

4

8

12

16

20

24

6/9/0422:19

7/9/0400:43

7/9/0403:07

7/9/0405:31

7/9/0407:55

7/9/0410:19

7/9/0412:43

7/9/0415:07

7/9/0417:31

Time

Cur

rent

[kA

]

à Toroidm Barrel

è Erste zweiSpulen getestet

• I=22 kA !

m Endcap


KonstruktionsKonstruktions--Status (2)Status (2)lMyon-Detektorenà Schnelle Trigger-Kammernà Präzise Driftkammern für exakte Impulsmessung


KonstruktionsKonstruktions--Status (3)Status (3)l Kalorimeterà Flüssig-Argon

mAbsorber in Akkordeon-Struktur

à Teststrahl-Daten

9.4% /√E⊕ 0.1%

σ/

E


KonstruktionsKonstruktions--Status (4)Status (4)

l Kalorimeter (2)à Tile-Szintillator

mAls hadronisches Kalorimeterim zentralen Bereich


KonstruktionsKonstruktions--Status (5)Status (5)l Spur-Detektorenà Silizium-Pixel und -Streifen

Detektoren nahe Strahlröhreà Übergangsstrahlungs-

Detektor (TRT) weiter aussen


Weitere KomponentenWeitere Komponentenl Trigger und Datenerfassungà Siehe später …

l Softwareà Betrieb des Experiments

mSteuerung und Überwachung der Datennahmeà Simulation (Vorhersage) des Experiments

mNachbildung der Wechselwirkung der produzierten Teilchen mit DetektormaterialèEinschließlich Sekundärteilchenproduktion

mNachbildung der Elektroniksignale der Detektorausleseà Rekonstruktion der Daten

m Ladung/Spannung à Energien, Impulse à Vierer-Vektorenm „Physik-Analyse“

à Riesige Programm-Pakete (C++, Java, …)


Teststrahl 2004Teststrahl 2004


Soziologische AspekteSoziologische Aspektel Teilchenphysik bei höchsten Energienà Internationale Zusammenarbeit bei Finanzierung und

Bau der Beschleuniger und Detektoren notwendigmGrundlagenforschung „per se“

l Große Experiment-Kollaborationenà ATLAS: 1800 Wissenschaftler

aus 151 Instituten (34 Ländern)à Arbeit in Gruppen

mVerschiedene Detektoren, Physikthemen, …à Arbeitsteilung

mTeilweise Spezialisierung auf Detektorbau, Datenrekonstruktion und -analyse

à Interne Konsistenzüberprüfung von Resultatenà Studenten (Diplomanden, Doktoranden) in das

internationale Umfeld eingebunden


ATLAS: Weltweite KollaborationATLAS: Weltweite Kollaboration

34 Countries151 Institutions1770 Scientific

Authors


PhysikPhysik--PotentialPotential


Allgemeine BemerkungenAllgemeine Bemerkungenl Studien (basierend auf Simulationen) zur

Auslotung der FähigkeitenmSowie Optimierung des Detektors vor Konstruktion

à Annahme eines nahezu perfekten DetektorslWie stellt ATLAS sicher, daß Detektor diese

Leistungsfähigkeit (schnell) erreichen wird?à Redundante Kalibrations- und Ausrichtungssystemeà Aufwendige Teststrahlmessungen

mVon (einigen) endgültigen Detektormodulenà Kalibration mit Physik-Ereignissen

mKosmische MyonenmStrahl-Gas WechselwirkungenmZ à l+l- Ereignisse


StandardStandard--Modell MessungenModell Messungenl Beispiel für Messungen mit ersten Datenà Detektor noch nicht im Detail verstanden

e+ν

Jet 4 (b)

(b)W-

W+

b-Jets (Sekundärvertex) τ(b-Hadron) ~ 1.5 ps→ Zerfall einige mm von pp Wechselwirkung

→ Nachweis mit Si-Detektoren

Ereignis: tt → bW bW → blν bjj

TopSignal

l Signal für top-Quarkà Sehr einfache Selektionà Keine großen Ansprüche

an DetektormKeine Rekonstruktion von b-Jets


HiggsHiggs--BosonBoson ProduktionProduktion


HiggsHiggs--BosonBoson ZerfallZerfall

HW*

W*

W* γ

γ

H Z(*)

Z

e, µ

e, µ

e, µmZ

H f

~ mf

f

~ mZ


HiggsHiggs--SucheSuchelMehrere, komplementäre Kanäleà H à γγ

mSeltener Zerfallà ttH à tt bb

mHoher Untergrundà H à ZZ à4l

mWenig Untergrund

ATLAS/10 fb-1

MH = 300 GeV


HiggsHiggs--EntdeckungspotenzialEntdeckungspotenziall Signifikanz S = NS/√NBà Entdeckung: S > 5 (Wahrscheinlichkeit einer

statistischen Fluktuation ist ≈ 10-7)


HiggsHiggs--ParameterParameter BestimmungBestimmungl Vermessung der Higgs-Masse und -Breite

l Higgs-Kopplungen an Fermionen/Bosonen


NeueNeue PhysikPhysik jenseitsjenseits SMSMl SM: Niederenergie-Näherung fundamentalerer Theorieà Mehrere Kandidaten (SUSY, Technicolour, LED, …)à Skalenvorhersage von O(1 TeV)

l Supersymmetrie (SUSY)à Motivation:

m Vereinheitlichung der Kopplungen/Kräfte bei höchsten Energien

à Neue Symmetriem Fermionen - Bosonenm muss gebrochen sein

è noch keine Superteilchen beobachtet

à Bisherige Ausschlußgrenzenm Squarks/Gluinos: > 200-300 GeVm Sleptonen/Charginos: > 90-100 GeVm Leichtestes Neutralino: > 46 GeV


SucheSuche nachnach SupersymmetrieSupersymmetriel Effektive Masse Meff

à erlaubt Bestimmung derMassenskala

l Eindeutige Signaturenà Jets, Leptonen, ET

miss (LSP)m aus der Zerfallskaskade

l Produktion durch starkeWechselwirkung à hohe Rate

l mSUGRA Beispielà m0 = 100 GeVà m1/2 = 300 GeVà tanβ = 10à A0 = 0, µ>0

SUSY

SM


SucheSuche nachnach SupersymmetrieSupersymmetriel Hohe Schwer-

punktsenergieà Grosser Massen-

bereich zugänglichl Grosse Wirkungs-

querschnittem Produktion durch

starke Wechselw.à Hohe Raten

l Frühe Entdeckung mit geringer Lumi-nosität möglichà Parameter

schwieriger


BestimmungBestimmung von von ModellparameternModellparameternl Beispiel:

Zwei LeptonenMassenspektrumà Zerfall

χ20 à χ1

0 l+l-

m auch ein Beitrag von χ2

0à χ10 Z

à Endpunkt in derLeptonpaarmassebestimmt die Massendifferenzχ2

0 - χ10

M(l+l-)/GeV

~~

~ ~

~ ~

l Erwartete Genauigkeit von 10%à Einschränkung an zugrunde-

liegende Modellparameter


TriggerTrigger und Datenerfassungund Datenerfassung


Herausforderungen bei LHCHerausforderungen bei LHCl p-p Kollisionen alle 25 ns (40 MHz)l Etwa 25 inelastische Ereignisse pro Kollisionl Hohe Detektorgranularität (108 Kanäle)à Größe eines Ereignisses etwa 1-2 MByte

l Datenrate von 100 TByte/s (1014 Byte/s)à Entspricht etwa 20000 DVD‘s pro Sekunde!

lWirkungsquerschnitt für interessante Prozesse typischerweise klein (Raten < 1 Hz)à Sehr effiziente Selektion in quasi Echtzeit nötig!à Hohe Unterdrückung von uninteressanten Ereignissen

um Faktor 1 in 107


HerausforderungHerausforderungl Enorme Unterschiede in

Wirkungsquerschnittenè Für L = 1034 cm-2 s-1

à gesamtm σ ≈ 100 mb (109 Hz)

à b Produktionm σ ≈ 0.7 mb (7∗106 Hz)

à W/Zm σ ≈ 200/60 nb (2/0.6 kHz)

à topm σ ≈ 0.8 nb (80 Hz)

à Higgs (mH = 150 GeV)m σ ≈ 30 pb (3 Hz)

l Mit Berücksichtigung derVerzweigungsverhältnisseà W à eν 150 Hzà Z à ee 15 Hzà H à γγ 0.003 Hz


SystemSystem--ArchitekturArchitekturDetectors

Front-endPipelines

ReadoutBuffers

EventBuilder

Buffers &ProcessingFarms

DataStorage

ReadoutDrivers

1 GHz interaction rate /

<75 (100) kHz

O(1) kHz output rate

O(100) Hz output rate

~100 GB/s output data flow

O(100) MB/s output data flow

O(1) GB/s output data flow

2 µs latency

O(10) ms latency

~ seconds latency

40 MHz bunch-crossing rate

RoI Pointers

Level 1

Level 2

Event Filter

HLTHLT

l LVL2à Region-of-

Interest (RoIRoI)

à Specialized algorithms

à Fast selection with early rejectionEFà Full event availableà Offline derived

algorithmsà Seeding by LVL2à Best calibration /

alignmentà Latency less

demanding

LVL1à Hardware based

(FPGA and ASIC)à Coarse calorimeter

granularityà Trigger muon

detectors


LVL1LVL1--Kalorimeter Kalorimeter TriggerTrigger TeststrahlTeststrahl

ELVL1

ECalo


Das Ende naht Das Ende naht ……


AusblickAusblickl Konstruktion des Beschleunigers schreitet stetig voranl ATLAS Experiment befindet sich im Aufbauà Die meisten Komponenten sind schon produziertà Umfangreiches Teststrahl-Programm Mai – Oktober 2004

m Alle Subdetektoren, Integration der verschiedenen Komponentenl Erste „Daten“ (kosmische Myonen) in zweiter Hälfte 2006l Erste Kollisionen im Jahre 2007à Nach einer Phase mit nur einem Strahl in der Maschine

l Gute Leistungsfähigkeit von ATLAS bei Startà Ausführliches Teststrahl-Programmà Qualitätskontrolle bei der Konstruktionà Redundante Kalibrationssysteme

l Endgültige Leistungsfähigkeit des Detektorsà Inbetriebnahme und Verständnis mit Datenà Braucht Zeit (und Daten)


ZusammenfassungZusammenfassungl Standard-Modell der Teilchenphysik sehr

erfolgreichà Beschreibung der fundamentalen Bausteine der

Materie und ihrer Wechselwirkungenl Keine vollständige Theorie, viele offene Fragenl LHC (und ATLAS) wird im Jahre 2007 in

„Terra Incognita“ vorstoßenà Besseres Verständnis der Struktur der Materie

auf den kleinsten Skalenà Zusammenhang mit Physik bei den größten Skalen

lMaschine und Detektor im Zusammenbaul Vorbereitung der Datennahme und -auswertung


Cartoon by C. Cartoon by C. GrupenGrupen

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