V 1.0 Elementary Particle Physics -...

ElementaryParticle Physics

Thomas Hebbeker

RWTH Aachen University

2012/13

V 1.0

multijet event

eW

Outline

2

• Overview: Particles and Interactions

• Methods: Accelerators and Detectors

• The Standard Model of Particle Physics

• Open Questions

• Particle physics in Aachen

universetoday.com

Die Struktur der Materie

elektromagnetische Kraft (= elm. Wechselwirkung)

Kernkraft ~ starke Wechselwirkung

= 1 fm

Elementar-

teilchen( )

Grundlagen der Teilchenphysik

Quantentheorie

relevant wenn Größen der Dimension „Wirkung“

(= Energie * Zeit = Impuls * Ort) nicht seV16106.6

Konsequenzen: Unschärferelation: , „Zufall“, ... px

Beispiel: Eigendrehimpuls (= Spin) des Elektrons: 2/

Relativitätstheorie

relevant wenn Geschwindigkeiten smcv /100.3 8

Beispiel: Quark im Proton:

Konsequenzen: , Zeitdilatation, , ... cv

cv 999.0

1

1

2cmE

fMeV 1200

Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems

Elementarteilchen mit Spin ½ (Fermionen)

elementar: punktförmig/keine innere Struktur (heutige Messgenauigkeit )

Neutrino 0 < 2 eV (Sonne auf Erde: )

Elektron -1 0.5 MeV

up-Quark 2/3 2 MeV

down-Quark -1/3 5 MeV

(nicht „direkt“ beobachtbar)

Kerne: Proton (938 MeV) = u u d, (Neutron), He, Li, ...., Mesonen

sm //106 214

Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung:

...uuee

m1810~

(3 „Farb“-Varianten)

qq

Die 4 Kräfte/Wechselwirkungen

Gravitation: vernachlässigbar im Mikrokosmos

erfahrbar: a) Bindungsphänomene b) Dynamik: Streuprozesse, Zerfälle

Elektromagnetische WW:

a) Atom b) (elast. Streuung)pepe

Schwache WW:

a) - b)

(Beta-Zerfall) Starke WW:

a) Nukleonen im Kern b)

Quarks im Nukleon (Fusion zu Deuteron)

)( epneud

dnp

QE

D

QF

D

QC

D

6

Stärke und Reichweite der Kräfte

Zu schwach

für direkte

Messungen

Beschreibung der Wechselwirkungen

Feynman-Diagramme: Visualisierung und

Berechnung von Wahrscheinlichkeiten

Beispiele:

Elastische Elektron-Quark-Streuung (elm. WW):

Erzeugung eines Quark-Antiquark-Paares in der -Annihilation (elm.WW)ee

t

Photon = `virtuell´ !

Kräfte: Austauschteilchen

mit Spin 1 (Bosonen)

Photon

= `virtuell´ !

The Standard Model of Particle Physics

matter: spin ½ - fermions

Leptons:

Quarks:

interactions: spin 1 – gauge bosons:

electroweak:

strong:

Photon g 0

Z-Boson Z 91 GeV

W-Boson W+ W- 80 GeV

Gluon g 0

many particles unstable

+ anti-particles

mass generation: spin 0 - boson: Higgs 125 GeV (?)

Outline

10




• Open Questions


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Methoden der experimentellen Teilchenphysik

Unschärferelation:

Neue schwere Teilchen (Masse m):

Ex /1Studium der Kräfte bei hohen Energien:

(Big Bang!)

HOHE

ENERGIE !

Werkzeuge:

• Teilchenbeschleuniger

• Teilchendetektoren

Strukturuntersuchung

Teilc

he

np

hys

ik u

nd

Ko

smo

logi

e

Teilchenbeschleuniger

untersuchen Prozesse

s nach dem Urknall

(100 GeV)

1010

Materie- Antimaterie-

Asymmetrie ?

Dunkle Materie =

Neutralino ?

(Supersymmetrie)

Teilchenkollisionen

Teilchensorten:

p, e und Antiteilchen

Kerne

Teilchenbeschleuniger

Prototyp: Braunsche Röhre

Energiezufuhr nur im

elektrischen Feld:

max 10 MV/m

Feld: statisch

oder Welle

Linear oder zirkular ?

+ Teilchen-Antiteilchen-Kollisionen

+ „Recycling“

- Hohe Synchrotronstrahlungsverluste (e)

Hohe Energien (100 GeV) erfordern große Beschleuniger (mehrere km) !

Linearbeschleuniger

CERN 1968

Protonen

E-Feld

MeVEkin 50

Kreisbeschleuniger („Collider“)

p p

Dipolmagnete

Energie wächst mit Größe des Beschleunigers !

p

p

p

pBeispiel:

Proton-Antiproton-Collider

Beschleunigungsstrecke

viele Protonen und

Antiprotonen laufen

gleichzeitig um

18

LHC = Large Hadron Collider

CERN

max: 7000 GeV + 7000 GeV

Rolf Heuer CERN-Direktor

im LHC-Tunnel

20

LHC (CERN), 2012: p (4000 GeV) + p (4000 GeV)

High energy accelerators

Tevatron

2000 GeV

2009 - 2030

1987- 2011

Fermilab CERN

pp

1992 - 2007

DESY

LHC

<=14000 GeV

pp

HERApe

300 GeV

1989 - 2000

LEP

200 GeV

ee

Teilc

he

n a

us

de

m U

niv

ers

umEntdeckungen neuer

Teilchen 1930-1960:

kosmische Strahlung!

Energien bis

GeV1110

2012:100 Jahre!

Spurdetektoren:

Geladene Teilchen werden

im Magnetfeld abgelenkt.

Ionisation des Gases. Elektronen bewegen

sich im elektrischen Feld zum Draht.

Ortsauflösung ~ 0.1 mm

Aus Krümmung folgt Impuls

Kalorimeter:

In Materie enstehen Sekundärteilchen, die

das Material anregen.

Das entstehende Licht wird nachgewiesen

und ist ein Maß für die Energie.

Energieauflösung ~ Prozent

Jeder

Tei

lch

ennac

hw

eis

via

ele

ktr

om

agn

etis

che

Wec

hse

lwir

kung

!Nobelpreis 1992

Charpak

Teilchendetektoren

Particle Detectors

24

Wik

iped

ia

Pixel, Strip-Detectors

Detectors in Collider Experiments

CMS = Compact Muon Solenoid

Supraleitende

Magnetspule

Magneteisen

Silizium-Spurdetektor

Kalorimeter

Myonkammern

26

Der CMS – Detektor am LHC

27

Kollisionsereignis

7 TeV

Jede Kollision sieht anders aus !

28

Ko

llisi

on

sere

ign

is im

OPA

L-D

etek

tor

(LEP

)

GeV

ee

204

Outline

30




• Open Questions


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The Standard Model of Particle Physics

matter: spin ½ - fermions

Leptons:

Quarks:

interactions: spin 1 – gauge bosons:

electroweak:

strong:

Photon g 0

Z-Boson Z 91 GeV


Gluon g 0

many particles unstable

+ anti-particles

mass generation: spin 0 - boson: Higgs 125 GeV (?)

Interactions

Wik

iped

ia

The fundamental fermions

33

1995 Reines

1995 Perl

1990Friedmann ..

Nobel prizes:

1988Steinberger ..

1976Richter, Ting

2 eV

2 eV

2 eV

2002Davis, Koshiba

The fundamental interactions

34

Photon g 0

Z-Boson Z 91 GeV


Gluon g 0

Nobel prizes:

1901 Röntgen

1921Einstein

2004Gross, Politzer, Wilczek

1979Glashow, Salam, Weinberg

1999t‘Hooft, Veltman

1984Rubbia, van

der Meer

Higgs (?) h 125 GeV

Elektromagnetische Wechselwirkung

Bindungszustand: H-Atom:

Erhaltungssätze: Ladung (immer), Teilchensorte (elm. WW)

erlaubt:

verboten:

Starke Wechselwirkung

Bindungszustand:

Erhaltungssätze: Quarksorte, Farbe

Zerfall:

Isolierte Quarks gibt es nicht!

Beobachtbar sind nur „farbneutrale“

Kombinationen

Meson

Baryon = q q q

qq

Gluon =

Farbe+Antifarbe

Starke WW:

Nobelpreis 2004:

Gross, Politzer,

Wilczek

Schwache Wechselwirkung

Zerfälle:

W-Austausch: Teilchenart ist NICHT erhalten !

Kollisionsereignisse:

Keine Zerfälle

mit Z-

Austausch !

Hadrons = Quark Bound states

38Bar

yons

=qqq

Meso

ns =

qq

npMeVuud ,)118(12322/3 0

Nukleon structure and Partons

Spiegelsymmetrie P Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie C

verletzt!

Seit 1964: Experimente:

Auch CP ist (schwach) verletzt!

sKJB /0

sKJB /0

Symmetrieverletzungen (schwache WW)

verletzt! (1957)

aber: Kombination C P : ok! (linkshändiges T rechtshändiges A)

T A

Discovery of W and Z Bosons

UA1, UA2 at SPS

CERN 1983

GeVpp 600

eWqq

eeZqq

Nobel 1984

Discovery of Top Quarks

42

Fermilab, 1995 CDF, D0

GeVpp 1800

GeVm 1173 (2012)

hep.

chic

ago.

edu

sym

metr

ymag

azin

e.o

rg

!1

~:m

rNote

43

LHC, 2012

p p 8 TeV

Atlas, CMS

Observation of Higgs-like particle

GeVm 125

(?)ggh

Neutrino Oscillations

Super-

Kamiokande

M. Koshiba et al.

CerenkovN

atmosphere:

detection:

result:

Ap

deficit of due to

Nobel 2002

SN 1987A

(Magellansche

Wolke)

Neutrinos aus Supernova

HST 1996

Kamiokande

g Cnep

!

Outline

46




• Open Questions


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Supersymmetry ?

matter particles: Spin ½ force particles: Spin 1

= dark matter ?

Supersymmetry motivation

48

• Fundamental symmetry (fermions-bosons)

• Higgs mass stabilization

• Grand Unification of Forces, include gravity

• Dark Matter candidateMinimal Supersymmetric

extension of Standard Model

Neutralino-WIMPs

49

Neutralino = LSP = is a good wimp candidate

Dark Matter could consist of Weakly Interacting Massive Particles

electrically neutralno colorquasi stablespin ½mass = O(100 GeV)Majorana type pair production early universe

annihilation in stars ?

weak interaction with matter

production in accelerators

properties

signatures

Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Kosmos

gleich viele Teilchen und Antiteilchen

fast nur noch Teilchen + Photonen

1) gleich viele T und A

2) Symmetrie wird „gebrochen“:

pro 1000000000 A gibt es

1000000001 T

3) 1000000000 Paare zerstrahlen in

Photonen, 1 T bleibt übrig

Kann die im Labor gefundene

kleine T-A-Asymmetrie dies

erklären ???

.... wahrscheinlich nicht....

???

Outline

51




• Open Questions


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Experimental Particle Physics

RWTH Aachen University

Institutes: IB, IIIA, IIIB (experimental physics) and E (theory)

52

CMS

AMS, AUGER, IceCube

Double Chooz, K2K

RWTH Aachen und CMS

53

Spu

rdet

ekto

ren

‚Endkappe‘ des

Silizium- Spurdetektors

in Aachen gebaut

0.05mm Genauigkeit54

Myonkammern

in Aachen gebautCERN

CMS Myondetektoren

insgesamt

mehrere Fussballfelder

55

Computer Computer-Cluster in Aachen für CMS

ca 3000 CPUs, ca. 1000‘000 GB

56

LHC: ~ 1 DVD / sec

Data analysis

Ultra high energy cosmic rays

energy = 10 millionen x LHC

water tanks

(cherenkov light)

fluorescence

telescopes

Argentina

50 km x 60 km = 3000 km2

origin

Auger observatory

24

x

1600 x

IceCube

Summary

60




• Open Questions


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