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Das LHC-Experiment

Das LHC-Experiment. Markus Kern HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik WS 2008/09. Inhalt. Ein kurzer Überblick über den LHC Die Physik am LHC Die Suche nach dem Higgsboson Supersymmetrie Der CMS-Detektor im Detail. Der Large Hadron Collider. Der LHC im Überblick.

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Presentation Transcript

  1. Das LHC-Experiment Markus Kern HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik WS 2008/09

  2. Inhalt • Ein kurzer Überblick über den LHC • Die Physik am LHC • Die Suche nach dem Higgsboson • Supersymmetrie • Der CMS-Detektor im Detail

  3. Der Large Hadron Collider

  4. Der LHC im Überblick • 27 km Umfang • 100 m unter der Erde • 7 TeV pro Protonenstrahl • Beschleunigung der p auf 99,9999991% von c • LHCb: Untersuchung der CP Verletzung in B- Mesonensystemen • ALICE: Erzeugung und Untersuchung eines Quark-Gluonen-Plasmas

  5. Beschleunigerrohr • 15 m Länge • 35 t Gewicht • über 1000 Stück • Nb-Ti-Legierung supraleitend unter 10K • Magnetfeld von 8,33 T bei 1,9 K • 11 700 A notwendig zum Aufbau des Magnetfelds

  6. Stillstand des LHC • Magnettest Sektor 3-4 • Defekte elektrische Verbindung • Lokale Erwärmung • Supraleitung geht verloren • Schäden an Kabeln, Rohren und Magneten • Heliumaustritt • Wiederinbetriebnahme voraussichtlich Juli 2009

  7. Das Standardmodell • Das Standardmodell ist eine Eichtheorie, die auf der Eichgruppe SU(3)Cx SU(2)W x U(1)Y beruht. • Eichprinzip: Die Invarianz einer Gleichung, unter lokalen (ortsabhängigen) Phasentransformationen, erfordert die Existenz eines Vektorfeldes, das mittransformiert wird. • Bsp: Lokale Transformationen bzgl. SU(3)C führen zur Existenz der Gluonenfelder. • Eichprinzip setzt masselose Teilchen voraus. • Experimente zeigen W‘s und Z haben Masse. • Higgsmechanismus rettet Eichprinzip durch Einführung des Higgsfelds und des Higgsbosons.

  8. Higgsproduktion

  9. Wirkungsquerschnitte

  10. Higgszerfall

  11. Higgszerfall II

  12. Probleme des Standardmodells • Das Eichproblem: Warum gibt es 3 unabhängige Eichgruppen? Ist nur eine Eichgruppe möglich? • Das Parameterproblem: Es gibt mindestens 18 freie Parameter im SM. Können sie reduziert werden? • Das Ladungsproblem: Warum sind die el. Ladungen von Elektron und Proton genau entgegengesetzt? • Das Hierarchieproblem: Warum ist die schwache Skala so klein verglichen mit der GUT-Skala? • Das Fine-Tuning-Problem: Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse sind viele Größenordnungen größer als die Masse selbst, daher müssen die Parameter des Higgspotentials unnatürlich fine-getunt werden.

  13. Supersymmetrie • Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen • SUSY Partner von Fermionen erhalten ein vorangestelltes „s“ • Bei Bosonen ersetzt man die Endung „on“ durch „ino“ oder hängt ein „ino“ an • Perfekte Symmetrie erfordert identische Particle- und Sparticlemassen • Bisher keine Sparticles gefunden  SUSY ist eine gebrochene Symmetrie

  14. Lösung des Eichproblems • Supersymmetrisches Modell erlaubt die Vereinigung der WW bei hohen Energien • Im SM nicht möglich, da kein gemeinsamer Schnittpunkt vorhanden

  15. Lösung des Fine-Tuning-Problems • Strahlungskorrekturen enthalten nun auch Superpartner, diese unterscheiden sich nur durch das Vorzeichen  Korrekturen heben sich gegenseitig auf

  16. MSSM • Das MSSM ist die kleinstmögliche Erweiterung des SM zu einem supersymmetrischen Modell • Existenz einer neuen multiplikativen Quantenzahl „R-Parität“, Erhaltungsgröße im MSSM • SM-Teilchen: R=+1 SUSY-Teilchen: R=-1 • Konsequenzen: • Das LSP ist stabil und damit ein Kandidat für dunkle Materie • Sparticles können nur paarweise erzeugt werden • Jedes schwerere Sparticle zerfällt in eine ungerade Anzahl von LSPs

  17. Nachweis eines SUSY Ereignisses • Zerfallskette der Sparticles endet mit den LSPs, die mit dem leichtesten Neutralino identifiziert werden • Ohne WW mit normaler Materie können LSPs aus dem Detektor entkommen • Nachweismöglichkeit durch fehlende Energie

  18. Der CMS-Detektor

  19. Teilchenspuren im Detektor

  20. Pixeldetektor • 65 Millionen Pixel • 3 zylindrische Schichten mit 4cm, 7cm und 10cm Abstand zum Teilchenstrahl • Teilchen erzeugen beim Durchfliegen Elektronen-Loch-Paare  elektrische Signale

  21. Streifendetektor • 10 Lagen Siliziumstreifendetektoren • Fläche über 200m2 • Unterschiedliche Ausrichtung der Streifen erlaubt 3D Rekonstruktion der Teilchenspur

  22. Karlsruher Beteiligung • 8000 Sensoren wurden mit 2 selbstentwickelten automatischen Probestationen überprüft • Über 100 Petals wurden gebaut • Jedes Petal enthält ca. 20 Module mit ca. 16000 Streifen

  23. ECAL • Szintillationskalorimeter • Besteht aus fast 80 000 PbWO4 Kristallen. • Kurze Strahlungslänge: X0=0,89cm • Schnelle Reaktionszeit: 80% des Lichts werden in 25ns emittiert • Geringe Lichtausbeute: 30γ/MeV

  24. HCAL • Die Absorber bestehen aus Messingplatten • Hohe Dicke des Absorbers notwendig, da Hadronen ihre Energie hauptsächlich durch starke WW mit den Kernen verlieren • Die Detektoren sind Plastikszintillatoren bzw. Quarzfasern • Schauerbildung komplizierter als im ECAL, da verschiedenste Sekundärteilchen entstehen können

  25. Solenoid Der CMS Magnet • ist der größte supraleitende Magnet, der je gebaut wurde • wiegt 12 000 Tonnen • ist 100 000 mal stärker als das Erdmagnetfeld • hat genug Energie um 18 Tonnen Gold zu schmelzen

  26. Der Myonendetektor • Verschiedene mit Gas gefüllte Driftkammern angepasst an die Myonenrate • Durchgehende Myonen ionisieren das Gas • Elektronen driften zu positiv geladenen Drähten • Ort des Durchgangs lässt sich durch Messung der Driftzeit berechnen

  27. Quellenverzeichnis Peter Schmüser: Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker. Berlin, Heidelberg 1995. Rabindra N. Mohapatra: Unification and Supersymmetry. The Frontiers of Quark-Lepton Physics. New York, Berlin, Heidelberg 2003. David Griffiths: Introduction to Elementary Particles. Weinheim 2008. W. de Boer, A. Sopczak, S. Kappler: Experimentelle Teilchenphysik. Karlsruhe 1999. W. de Boer: Grand Unified Theories and Supersymmetry in Particle Physics and Cosmology. hep-ph/9402266. Stephen P. Martin: A Supersymmetry Primer. hep-ph/9709356. Gianfranco Bertone, Dan Hooper, Joseph Silk: Particle dark matter: evidence, candidates and constraints. In: Physics Reports 405 (2005) 279–390. Gunnar Klämke: Higgs plus 2 Jet Produktion in Gluonfusion. Karlsruhe 2008. D. Acosta, A. De Roeck, U. Gasparini u. a.: CMS Physics, Technical Design Report, Volume I: Detector Performance and Software. CERN 2006. A. De Roeck, M. Grünwald, J. Mnich u. a.: CMS Physics, Technical Design Report, Volume II: Physics Performance. CERN 2006. http://public.web.cern.ch/public/ http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/index.html

  28. Quellenverzeichnis II Die Zahlen in eckigen Klammern geben die Foliennummer an. [3] http://media.arstechnica.com/news.media/LHC.jpg [4] http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/history/historypictures/LHC-drawing-half.jpg [5] http://mediaarchive.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/1999 /9906025/9906025_01/9906025_01-A5-at-72-dpi.jpg [6] http://static.guim.co.uk/Guardian/news/gallery/2007/aug/06/internationalnews/0606 026_01-179.jpg [8] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_prod_graphs_new.jpg [9] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_prod_xs.jpg [10] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_bratio.jpg [11]oben links http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/Higgs/100GeV.jpg unten links https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr2-figs/images/Figure_%20CP-001.jpg oben rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/Higgs/150GeV_1.jpg unten rechts https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr2-figs/images/Figure_%20CP-003.jpg [14] http://www.physik.uzh.ch/~kmueller/text/vorlesung/susy/img34.gif [15] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/68/Hqmc-vector.svg/300px- Hqmc-vector.svg.png

  29. Quellenverzeichnis III [17] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/SUSY/Susy_2.jpg [18] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/af/CMScollaborationPoster.png [19] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Media/Videos/Animations/files/CMS_Slice.gif [20] links http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/siliziumdetektor.jpg rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/ Resources/Website/Detector/Tracker/Pixelement.gif [21] links http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Detector/Tracker/Barrel.gif rechts https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr1-figs/Figures/Figure_001-009.jpg [22] oben http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/silizium_sensor.jpg unten http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/petalproduktion3.jpg [23] links http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~jwagner/SS08 /talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 31 rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Media/Images/Gallery/ECAL/EB/HighRes/oreach-2001-001.jpg [24] http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~jwagner/SS08/talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 32 [25] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Detector/Magnet/0509015_14-A4-at-144-dpi_thumb.jpg [26] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/ Website/Detector/Muons/DT.gif

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