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Teilchenphysik: Stand und Perspektiven

Teilchenphysik: Stand und Perspektiven . http://wulz.home.cern.ch/wulz/Vorlesung/ Perspektiven1_2012. pdf. 142.095 (TU ), 260152 ( Universität ) Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften c/o CERN/PH, CH-1211 Genf 23

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Teilchenphysik: Stand und Perspektiven

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  1. Teilchenphysik: Stand und Perspektiven http://wulz.home.cern.ch/wulz/Vorlesung/Perspektiven1_2012.pdf 142.095 (TU), 260152 (Universität) Claudia-Elisabeth Wulz InstitutfürHochenergiephysikder ÖsterreichischenAkademiederWissenschaften c/o CERN/PH, CH-1211 Genf 23 Tel. 0041 22 767 6592, GSM: 0041 76 487 0919 E-mail: Claudia.Wulz@cern.ch http: //home.cern.ch/~wulz TU Wien, 5. März2012 Teil 1

  2. Literatur Theorie: T. Morii, C.S. Lim, S.N. Mukherjee: The Physics of the Standard Model and Beyond, World Scientific Publishing Co. (2004) W. Majerotto (ed. S. Kraml): Skriptum “Einführung in die Modelle der Elementarteilchenphysik (Wintersemester / Sommersemester)” http://wwwhephy.oeaw.ac.at/helmut/skriptWS.ps http://wwwhephy.oeaw.ac.at/helmut/skriptSS.ps M. Treichel: Teilchenphysik und Kosmologie, Springer-Verlag (2000) D. Griffiths: Einführung in die Elementarteilchenphysik, J. Wiley and Sons (1999) D. Griffiths: Introduction to Elementary Particles, J. Wiley VCH (2008) Allgemein: B.R. Martin, G. Shaw: Particle Physics, J. Wiley and Sons (3rd ed. 2008) D. H. Perkins: Introduction to High Energy Physics, Cambridge U. Press (4th edition, 2000) Detektoren: W. R. Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag (2nd ed. 1994) Ch. Joram: Particle Detectors, http://joram.web.cern.ch/Joram/lectures.htm

  3. Webseiten Einführungen in die Teilchenphysik: http://www.cpepweb.org/ http://particleadventure.org http://www.particlephysics.ac.uk http://www2.slac.stanford.edu/vvc/Default.htm http://www.teilchen.at Für Physiker/Studenten: http://indico.cern.ch/categoryDisplay.py?categId=70 http://pdg.lbl.gov/

  4. Hochenergiephysik = Elementarteilchenphysik • Frage nach dem Aufbau und • Zusammenhalt der Materie • Lehre von Teilchen und • ihren Wechselwirkungen • •

  5. Dp D l≥ , DE Dt ≥ Heisenberg'sche Unschärferelation _ _ _ _ h h h h Hochenergiephysik Man benötigt umso höhere Impulse, je kleiner die zu erforschenden Dimensionen sind, bzw. Energie kann kurzzeitig ausgeborgt werden. D l@ 1/GeV @ 0.2 . 10-15 m 1/4 der Ausdehnung des Protons Wichtige Einheiten und Größen … Planck’sches Wirkungsquantum = h/2p = 6.6 . 10-22 MeVs 1 eV = 1.6 . 10-19 Ws … Energieeinheit Masse des Protons: 938 MeV/c2 = 1.67 . 10-27 kg, Masse des Elektrons: 0.511 MeV/c2 = 9 . 10-31 kg Anmerkung: c bzw. ħ werden oft 1 gesetzt (“natürliche Einheiten”), so daß MeV bzw. GeV Energie, Impuls oder Masse darstellen können.

  6. Die fundamentalen Kräfte

  7. Sie tritt z.B. beim radioaktiven b-Zerfall (z.B. 3H 3He) auf: 2 1 TeilchenohnestarkeWechselwirkungheißenLEPTONEN (z.B. Elektron, Myon, Neutrino). Die schwacheWechselwirkungwirddurch die INTERMEDIÄREN VEKTORBOSONEN (W±, Z) vermittelt. Diesesind fast 100 mal so schwerwie das Proton und wurden 1983/1984 an den Experimenten UA1 und UA2 des CERN SppS-Colliders entdeckt. Carlo Rubbia und Simon van der Meer bekamenfürihreentscheidendenBeiträge den Nobelpreis.

  8. Nobelpreis 1984 C. Rubbia S. van der Meer “…for their decisive contributions to the large project which led to the discovery of the field particles W and Z, communicators of weak interaction”

  9. Die starke Wechselwirkung Sie hält Atomkerne zusammen. Teilchen, die eine starke Wechselwirkung besitzen, heißen HADRONEN. Sie sind aufgebaut aus QUARKS. Die starke Wechselwirkung kommt durch den Austausch von Teilchen zwischen den Quarks zustande. Diese heißen GLUONEN. Weder Gluonen noch Quarks existieren jedoch als freie Teilchen (“CONFINEMENT”).

  10. Die starke Wechselwirkung »» Ü u Þ u d Gluonen und Quarks tragen Farbladung (“COLOR”)QUANTENCHROMODYNAMIK Sichtbare Teilchen sind jedoch farbneutral. Ü Þ u u d Proton »» d d u d d u d + Neutron p

  11. Yukawa - Theorie Protonen und Neutronen in Kernen werden durch Feld angezogen. Das Feldquantum muß die Eigenschaften der starken Wechselwirkung repräsentieren, also u.a. relativ schwer aufgrund der kurzen Reichweite der Kernkraft sein. Yukawa postulierte, daß seine Masse bei ca. 300 me liegen sollte. Es wurde Meson genannt (zwischen me und mp). TeilchenmitkompatibelscheinendenEigenschaftenwurdentatsächlich in derkosmischenStrahlunggefunden. JedochstelltensichdannDiskrepanzenbeiMassen- und Lebensdauermessungensowieeinenurschwache WW mitAtomkernenheraus. Was gefundenwurde, warenMyonen.

  12. Marietta Blau 1894 - 1970 EntwickelteeinephotographischeMethodezumStudiumderkosmischenStrahlung, die zurEntdeckungneuerTeilchenführte. MitihrergrundsätzlichenMethodewurdendann 1947 das Pion von Cecil Powell et al. und vielspäter, imJahr 2000, das Tau-Neutrino entdeckt. Powell erhielt 1950 den Nobelpreis, den BlauaufgrundihrerentscheidendenBeiträgesichermitihmhätteteilenkönnen. Siewurdezwei Mal von Erwin Schrödinger für den Nobelpreisnominiert. Marietta Blau am Wiener InstitutfürRadiumforschung ca. 1925 11

  13. Marshak, Bethe: MyonenkönntenZerfallsprodukte von schwererenTeilchensein, die ihrerseitsYukawasMesonenseinkönnten. Tatsächlichwurden die p-Mesonen (Pionen) mitYukawasFeldquantenidentifiziert. IhreZerfallsprodukte, die Myonen, habennichtsmitderstarkenWechselwirkungzutun. SiezerfallenmeistvorErreichenderErdoberfläche in Elektronen und zwei Neutrinos (dae-Energienichtkonstantist - 3-Körperzerfall): +e++e+m -e-+e+m e 600 mm m - - ++ +  p Lattes, Powell, Occhialini, Muirhead (1947) Pic du Midi - Observatorium

  14. K+ } 3 cm Blei m+ 1947 sahes so aus, als ob die größtenProblemederElementarteilchenphysikmehroderwenigerverstandenwären, bis auf die Rolle des Myons(I. Rabi: “Who ordered that?”). Es kamjedoch die Entdeckungder“Strange Particles” … Rochester, Butler: K0 K+ K+ etc. Anderson et al.: L Geladenes V- Ereignis: K+m + + nm

  15. Die “Strange Particles” waren insoferne seltsam, als sie in großer Zahl erzeugt werden (Zeitskala typisch 10-23 s), aber relativ langsam zerfallen (Zeitskala 10-10 s). Das bedeutet, daß Produktions- und Zerfalls-mechanismen verschieden sind. Strange Particles werden durch starke Wechselwirkung erzeugt, sie zerfallen aber durch schwache WW. Gell-Mann und Nijishima schrieben jedem Teilchen eine Eigenschaft namens “Strangeness” zu, die in der starken WW erhalten bleibt, in der schwachen aber verletzt ist. Deshalb werden Strange Particles nur paarweise erzeugt, wie z.B. p- + p+ K0 + L Beim Zerfall wird Strangeness verletzt, wie z.B.  p + p- .

  16. Willis Lamb in seiner Nobelpreisrede 1955: Als 1901 zum ersten Mal die Nobelpreise verliehen wurden, wußten die Physiker nur von zwei Objekten, die jetzt “Elementarteilchen” genannt werden: dem Elektron und dem Proton. Eine Flut von anderen “elementaren Teilchen” kam nach 1930 zutage - Neutron, Neutrino, m- Meson, p-Meson, schwerere Mesonen und verschiedene Hyperonen. Ich hörte, wie jemand sagte, daß ein Entdecker eines neuen Elementarteilchens normalerweise mit einem Nobelpreis belohnt wurde, nun aber mit einer Geldstrafe von 10000 $ belegt werden sollte. Ähnliches sagte Enrico Fermi im Zusammenhang mit der Hadronspektroskopie, die sich mit dem im folgenden vorgestellten Quarkmodell ergab: Junger Mann, wenn ich mir die Namen aller dieser Teilchen merken könnte, wäre ich Botaniker geworden.

  17. Das Quarkmodell 1964: Gell-Mann, Zweig Elementare Bausteine der Materie:

  18. Das Quarkmodell

  19. Jedes Baryon besteht aus 3 Quarks. Jedes Meson besteht aus 1 Quark und 1 Antiquark. Mesonen,Baryonen

  20. K0 (ds) K+ (us) p0, h - - - - - p - (du) (uu,dd,ss) - - - K- (su) - - Gell-Mann, Ne’eman (1961) p + (ud) K0 (sd) Mesonenoktett

  21. n (udd) p (uud) S0 (uds) S- (dds) S+ (uus) L (uds) X- (dss) X0 (uss) Baryonenoktett

  22. L- (ddd) L0 (udd) L+ (uud) L++ (uuu) S*0 (uds) S*- (dds) S* (uus) X*- (dss) X*0 (uss) L+ hat gleichen Quarkgehalt wie Proton, aber verschiedenes Energieniveau, analog H-Atom in verschiedenen Anregungs-zuständen. Quarks: Spin 1/2! Pauli-Prinzip -> COLOR (O.W. Greenberg) W- (sss) Baryonendekuplett

  23. Das Omega-Minus Brookhaven, 1964

  24. ( ( ( ( ( ( ) ) ) ) ) ) u d c s e ne t b m nm t nt [ + Antiteilchen ] x 3 Farben 36 Quarks Glashow, Salam, Weinberg (1978) 3 Familien (Generationen)von Quarks und Leptonen: + Antiteilchen12 Leptonen 4 Vermittlerteilchender elektroschwachen Wechselwirkung: 3 Intermediäre Vektorbosonen (W±, Z) + 1 Photon (g) 8 Vermittlerteilchender starken Wechselwirkung: 8 Gluonen (g)

  25. Alle existierenden Daten (außer Neutrinomassen) werden sehr gut durch das Standardmodell beschrieben. Jedoch ist die Frage der Teilchenmassen ungeklärt! Im Standardmodell existiert ein Teilchen, das zum Mechanismus gehört, durch den Teilchen (außer Neutrinos) Massen erhalten - das Higgs-Boson. • Large HadronCollider (LHC) ist notwendig! • Strahlenergie: 2 x 7 TeV p-p (bis 2011 2 x 3.5 TeV) • Entdeckung konnte am Tevatron nicht mehr gemacht werden. Am LEP wurden zwar kompatible Ereignisse gefunden, jedoch Signifikanz war nicht hoch genug. Im Rahmen der Supersymmetrie könnte es auch mehrere Higgse sowie supersymmetrische Partner der bekannten Teilchen geben (Squarks, Sleptonen, Gluinos etc.).

  26. Linearbeschleuniger Speicherring Quellen hochenergetischer Teilchen 1950: Einzige Quelle hochenergetischer Teilchen war die Höhenstrahlung (kosmische Strahlung) Entdeckung von Positronen und Pionen. Heute: fast ausschließlich Teilchenbeschleuniger in Verwendung. Vorteil: nur 1 Projektil mit bekannter, wählbarer Energie. Fixed-Target-Experiment: stationäres Target, ein Teilchenstrahl Collider-Experiment: zwei gegenläufige Teilchenstrahlen In beiden Fällen werden erzeugte Teilchen durch ihre Wechselwirkung mit Materie nachgewiesen Detektoren

  27. Teilchenbeschleuniger Elektromagnetische Kräfte werden benützt, um stabile, geladene Teilchen zu beschleunigen. Es wird eine Quelle benötigt, z.B. Glühkathode (erhitzter Draht) oder Ionenquelle. - Linearbeschleuniger (LINACs) - Zirkularbeschleuniger (Zyklotrone, Synchrotrone) Synchrotrone: Ab 1 GeV Energie. “Kreisbahn” durch Anordnung von Dipolmagneten (Ablenkmagneten), Beschleunigung durch Hochfrequenz-kavitäten. Zur Strahlfokussierung werden Quadrupol- bzw. Sextupolmagneten (Fokussiermagneten) verwendet.

  28. Prinzip der Beschleunigung Elektromagnetische Welle bewegt sich fort und nimmt Teilchen mit Elektromagnetische Welle von oben gesehen rot +, blau - Elektromagnetische Welle Positiv geladene Teilchen in der Nähe des Maximums der Welle erfahren die größte Kraft nach vorne; die in der Nähe des Umkehrpunktes die kleinste. Als Folge davon tendieren die Teilchen dazu, sich zusammen mit der Welle fortzubewegen - Stabilität der Umlaufbahn (“Orbit”). http://particleadventure.org/accel_ani.html RF in Phase mit Teilchen.

  29. Schema eines Synchrotrons

  30. Super-Proton-Synchrotron des CERN

  31. HERA bei DESY Ep = 920 GeV Ee- = 27.5 GeV

  32. Quadrupolmagnet (HERA/DESY) Sextupolmagnet (LEP/CERN)

  33. LHC-Teststand mit Dipolen Hochfrequenzresonator (TESLA-Prototyp)

  34. Querschnitt eines LHC-Doppeldipols

  35. Schwerpunktsenergie - Laborenergie W2c4 = E2 - p2c2 W …invariante Masse einer Menge von Teilchen E, p … Gesamtenergie und -impuls Schwerpunktssystem (Centre of Mass Frame): p = S pi = 0 ECM = Wc2 z. B. Teilchenstrahl aus Teilchen mit Masse mS, der auf ein Target mit Masse mT trifft und den Impuls pL hat. Das Target ist in Ruhe, somit ist pT = 0. Teilchenenergien im Laborsystem: EL =√mS2c4 + pL2c2 ET = mT c2 W2c4 = (EL + mT c2 )2 - pL2c2 = mS2c4 + mT2c4 + 2 mT c2 EL ECM =√mS2c4 + mT2c4 + 2 mT c2 EL

  36. Fixed-Target-Beschleuniger und Collider ECM … Schwerpunktsenergie, EL … Laborenergie pCM = 0 … Schwerpunktsimpuls, mS … Masse des Strahlteilchens, mT … Masse des Targetteilchens Fixed Target: Teil der Energie muß als kinetische Energie der Endzustandsteilchen erscheinen und steht somit nicht für Teilchenproduktion zur Verfügung. Fixed-Target-Beschleuniger Collider ECM = √mS2c4 + mT2c4 + 2mT2c2 EL ECM = 2 EL ECM ~√EL viele Teilchen nur stabile, geladene hohe Luminosität Teilchen, niedrigere Luminosität

  37. Collider Fixed-Target-Beschleuniger Speicherringe: Beschleunigung und Speicherung für Teilchen mit entgegengesetzter Ladung in ein und demselben Magnetring. Linear Collider: gerade Strahlrohre. Beschleunigung bis zur Maximalenergie, Extraktion auf ein stationäres Target (fest oder flüssig). Primärstrahlen: stabile geladene Teilchen (z.B. p, e±) Sekundärstrahlen: neutrale oder instabile Teilchen (z.B. p, g, n).

  38. https://cms.web.cern.ch/cms/Resources/Website/Media/Videos/Animations/files/SynchrotronCB.swfhttps://cms.web.cern.ch/cms/Resources/Website/Media/Videos/Animations/files/SynchrotronCB.swf

  39. http://cms.web.cern.ch/cms/Resources/Website/Media/Videos/Animations/files/SynchrotronFT.swfhttp://cms.web.cern.ch/cms/Resources/Website/Media/Videos/Animations/files/SynchrotronFT.swf

  40. Erzeugung von Sekundärstrahlen Zur Beschleunigung eignen sich nur stabile, geladene Teilchen. Jedoch braucht man auch neutrale (z.B. g) oder instabile Teilchen (z.B. p±). Diese können erzeugt werden, indem man einen Primärstrahl auf ein Metalltarget lenkt. Bei den Reaktionen mit den Kernen des Targets werden neue Teilchen erzeugt, die dann analysiert werden können. Beispiel 1:p+-Strahl p+ X p p+ p+ schweres Target Y elektrostat. u. magnet. Felder Kollimator monoenergetischer Strahl

  41. Erzeugung von Sekundärstrahlen Beispiel 2:n-Strahl p±m± + nm m+ sowie noch nicht zerfallene p± werden in einem langen Absorber absorbiert. Die Neutrinoimpulse hängen von den ursprünglichen Pionimpulsen ab. Es ist jedoch keine weitere Impulsselektion möglich! p± nm langes Vakuumrohr Absorber

  42. p/e - Teilchenbeschleuniger Fixed-Target-Maschine Teilchenart Strahlenergie/GeV KEK, Japan p 12 - SLAC, Stanford, Cal. e 25 PS, CERN, Genf p 28 AGS, Brookhaven, NY p 32 Serpukhov, Rußland p 76 SPS, CERN, Genf p 450 Tevatron, Fermilab, Ill. p 980 Collider Teilchenart(Strahlenergien/GeV) + - CESR, Cornell, NY e (6) e (6) + - PEP, Stanford, Cal. e (15) e (15) + - TRISTAN, Japan e (32) e (32) + - SLC, Stanford, Cal.(bis 1998) e (50) e (50) + - LEP-I, CERN, Genf (bis 1995) e (55) e (55) SppS, CERN, Genf p(450) p(450) Tevatron II, Fermilab (bis 2011) p(980) p(980) - HERA, Hamburg (bis 2007) e (27.5) p(920) + - LEP-200, CERN, Genf (bis 2000) e (104) e (104) LHC(>2013), CERN, Genf p(7000) p(7000)

  43. Synchrotron Impuls eines geladenen Teilchens im Magnetfeld: p = 0.3 B r p … Impuls in GeV/c r … Krümmungsradius in Metern B … Magnetische Flußdichte in Tesla Konventionelle Elektromagneten: Bmax ≈ 1.5 T Supraleitende Magneten: Bmax ≈ 10 T Aus obiger Formel wird ersichtlich, warum große Radien für große Strahlimpulse erforderlich sind. Die Synchrotron-strahlung spielt ebenfalls eine Rolle. Synchrotron: Während der Beschleunigung muß das Magnetfeld synchron mit dem Impuls erhöht werden, da Umlaufbahn konstant bleiben soll.

  44. Synchrotronstrahlung Für b ≈ 1 (v ≈ c) mit E = gmc2 ist DE ~ 1/m4 hoher Energieverlust für Elektronen (bei gleichem Impuls 1013 mal so hoch wie für Protonen!), deshalb haben in der Praxis konventionelle Elektronenbeschleuniger maximal ca. 100 GeV pro Strahl. Synchrotronstrahlung pro Umlauf: b = v/c, g = (1-b2)-1/2 • … Krümmungsradius der Umlaufbahn • q … Ladung des umlaufenden Teilchens • e0 = 8.85 pF/m

  45. European Synchrotron Radiation Facility Grenoble

  46. Luminosität R = sL L … Luminosität in cm-2 s-1 , R … Kollisionsrate in s-1 s … Strahl-Strahl-Wirkungsquerschnitt in cm2 Beispiel Teilchen-Antiteilchen-Speicherring (pp, e+e-): 1 Vakuumröhre bei gleichem magnetischem Führungsfeld. N … Anzahl der Teilchen pro Paket (“bunch”) Bei je 1 Paket gibt es 2 Kollisionspunkte. In jedem Kollisionspunkt (“Interaction Region”) treten Zusammenstöße mit der Frequenz f ≈ c/u auf, wobei u der Umfang des Speicherringes ist.

  47. Luminosität N+N- L = f nbunch A Dann ist die Luminosität in einem Kollisionspunkt durch folgende Formel gegeben: nbunch … Anzahl der Pakete, N± … Anzahl der Teilchen pro Paket A … Strahlfläche bei kompletter Überlappung L A Fokussiermagneten (z.B. Quadrupole) A = 4p sxsy bei gaussförmig verteilten Abweichungen von der idealen Bahn sx,sy … horizontale bzw. vertikale Strahlgröße (rms) Teilchenoszillationen in vertikaler und horizontaler Richtung zur idealen Bahn: Betatronschwingungen. Longitudinale Schwingungen relativ zur Bewegung eines idealen Teilchens (phasengleich zum Hochfrequenzfeld): Synchrotronschwingungen.

  48. Emittanz, Amplitudenfunktion Ideale Bahn eines Strahlteilchens: Zentrum der Ellipse Tatsächlicher Punkt eines Strahlteilchens im Phasenraum: s, … Transversale Versetzung s’ … Winkel zur Strahlachachse Einheit von e ist üblicherweise mm mrad, von bm. b* … Wert der Amplitudenfunktion im Wechselwirkungspunkt (Fokussierung!) Emittanz widergibt die Strahlqualität, Amplitudenfunktion die Strahloptik. Transversale Emittanz e = pss’ x’ x Amplitudenfunktion b = s/s’

  49. LHC Quadrupole Magnets Bei ATLAS und CMS: b* = 0.5 m, sx= sy= 16 mm, sonstb ≈ 80 m, sx, sy ≈ 0.2 mm

  50. Typische Luminositäten für Collider BeschleunigerTeilchenL/cm-2s-1 SLC (Stanford) e+ e- 0.35x1030 LEP (CERN) e+ e- 2x1031 HERA (DESY) e- p 1.6x1031 SppS (CERN) pp 6x1030 Tevatron (Fermilab) pp 4x1032 *) KEKB (Tsukuba) e+ e- 1x1034 PEP II (Stanford) e+ e- 3x1033 LHC (CERN) pp 1x1034 *) mit Main Injector, ohne 2x1031

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