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Standardmodell

Standardmodell. Invarianz der Natur unter Phasentransformationen in SU(2) U(1) verlangt 4 Eichbosonen , W ± , Z, g Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung

sharis
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Presentation Transcript

  1. Standardmodell Invarianz der Natur unter Phasentransformationen in SU(2)U(1) verlangt 4 Eichbosonen, W±, Z, g • Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung • Extrem erfolgreiche Beschreibung aller bekannten elektromagnetischen und schwachen Phänomene Standardmodell Jedoch ein grundlegendes Problem bleibt: die Symmetrie muß gebrochen werden! • Das Photon ist masselos • Die W- und Z-Bosonen sind 80, 90 mal so schwer wie das Proton

  2. Annahme: Feld mit Potential mit 2 Minima • Naturgesetze (Potential, Lagrangedichte, Bewegungsgleichungen) rechts-links-symmetrisch. Gleichgewichtszustand ist es nicht! Teilchen wählt eines der beiden Minima  Links-Rechts-Symmetrie ist gebrochen. Naturgesetze sind links-rechts-symmetrisch. Das heißt aber nicht, daß die Welt bei niedriger Energie es ebenso sein muß!

  3. Der Higgsmechanismus • Lösung des Symmetriebrechungsproblems • Führe ein Feld mit rotationsinvariantem (i.e. symmetrischen) Potential ein, das viele nicht bei Null liegende Minima hat  niedrigster Energiezustand der Theorie: Teilchen wählt ein beliebiges Minimum  der Zustand des Systems hat nicht mehr die ursprüngliche Symmetrie... Die Symmetrie als solche geht verloren, erscheint aber als Masse der W- und Z-Bosonen. • Die Prozedur wird "Spontane Symmetriebrechung" (SSB) genannt.

  4. Der Higgsmechanismus • 2 unabhängige Felder 1, 2. • Schreibe Lagrangedichte um auf neue Felder (h, x), die Fluktuationen um den gewählten Grundzustand darstellen: • = 1 - m/l= 2. • 2 Bewegungsrichtungen: • 1) auf/ab entlang des Potentials; • - massives Higgs (h) • 2) In der Ebene; • Richtung wurde gewählt. Dabei verschwindet masseloses Feld (Goldstone-Boson). Der zusätzliche Freiheitsgrad erscheint in der longitudinalen Komponente von Am (zunächst masseloses Eichfeld mit 2 Freiheitsgraden, transversale Polarisation). m/l Wähle als Grundzustand: 1 min = m/l 2 min = 

  5. Experimentelle Situation des Higgs • LEP (bis 2000) war die einzige Maschine, die es hätte • produzieren können  Schwerpunktsenergie 2x106 GeV • Hinweise bei 114.5 GeV/c2; Signifikanz ging zurück • Jetzt: Tevatron bei Fermilab • Run IIa: 2001-2003/4 • Run IIb (?): 2005 (?)

  6. _ e+e - -> HZ -> bbjj ? Higgs bei LEP? 2 b Kandidat HZ Hypothese mH=(114 GeV 3) GeV Jet b-tag-Wahrscheinl.: Z 1 0.14 2 0.01 H 3 0.99 4 0.99 Vielleicht schon hier? Kin. Massenfit mH =112.4 GeV mZ =93.3 GeV ZZ-Hypothese mZ=102 GeV mZ=91.7 GeV

  7. Zerfallskanäle und Breite des Higgs Verzweigungsverhältnisse Breite • Higgskopplung proportionalmf2 • Das schwerste Fermion (b quark) dominiert so lange bis die Schwelle für Erzeugung von WW, ZZ erreicht ist

  8. Bei LHC ist das SM-Higgs im gesamten erwarteten Massenbereich vom derzeitigen LEP-Limit 115 GeV bis 1 TeV zugänglich. Je nach Masse benützt man verschiedene Zerfallskanäle: 80 GeV < mH < 140 GeV H -> gg, H -> bb 130 GeV < mH < 700 GeV H -> ZZ(*) -> 4 Leptonen (l) 500 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ -> 2 l + 2 Jets 500 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ -> 2 l + 2 n 800 GeV < mH < 1000 GeV H -> WW-> l + n + Jets 800 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ-> 2 l + 2 Jets Entdeckungsstrategie für das Standardmodell-Higgs

  9. H -> gg Elektromagnetisches Kalorimeter wurde auf diesen Kanal optimiert. DmH/mH < 1%, Signal/Untergrund 1/20

  10. H -> ZZ*, ZZ Nachweis beruht auf ausgezeichnetem Tracker, em. Kalorimeter und Müonsystem. DmH @ 1 GeV für mH < 170 GeV

  11. H -> 2 l + 2 Jets (oder 2 n) Nachweis erfolgt durch Leptonen, Jets und fehlende Energie. Für letztere ist ein gutes Hadronkalorimeter mit großem Rapiditätsbereich wichtig.

  12. Standardmodell-Higgs in ATLAS Signifikanzen für 30 und 100 fb-1

  13. Standardmodell-Higgs in CMS CMS 5s Signifikanz für 100 fb-1 5 s - Konturen

  14. Supersymmetrie • Vielleicht sind die elektroschwache und die starke Kraft vereint. In diesem Fall würden Leptonen und Quarks ineinander übergehen können und das Proton wäre nicht stabil. Der Massenwert, bei dem Vereinigung in einer entsprechenden Theorie (“Grand Unified Theory”, GUT) eintritt, muß groß genug sein, so daß die Zerfallsrate des Protons mit dem experimentell gemessenen Wert kompatibel ist. • Die Kopplungskonstanten ”laufen" in Quantenfeldtheorien aufgrund von Vakuumfluktuationen. Beispiel: In der Quantenelektrodynamik ist die elektrische Ladung e durch Fluktuationen von Photonen in e+e--Paare bis zu einer Distanz von le ~ 1/me abgeschimt. Daher steigt aem mit steigender Masse: aem(0) = 1/137, aem(mZ) = 1/128.

  15. Supersymmetrie 1/aem 1/aw 1/as Um bei hohen Energien unnatürlich große Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse zu vermeiden und damit das so genannte Hierarchieproblem zu vermeiden, fordert man zu jedem SM-Fermion einen supersymmetrischen Boson-Partner und vice versa. Wenn die Masse des SUSY-Partners in der Größenordnung ~ 1 TeV liegt, dann gilt die GUT-Vereinigung bis zu 1016 GeV.

  16. Supersymmetrie

  17. SUSY-Higgssektor Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell gibt es 5 Higgsbosonen: h0, H0, A0 und H±. Die Suche nach ihnen erfolgt teilweise ähnlich wie im Standardmodell.

  18. SUSY-Higgse in ATLAS 5 s - Konturen

  19. SUSY-Higgse in CMS

  20. Sparticles Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Ebenso kann ein charakteristischer Abfall im l+l--Massen-spektrum aufgrund des Zerfalls c20 -> l+l- c10 auftreten.

  21. Beispiel für Physik jenseits des Standardmodells Compositeness in ATLAS

  22. CP-Verletzung und B-Physik - Bis jetzt keine Präzisionsmessung der CP-Verletzung im Standardmodell. Es kann nicht ausgeschlossen werden daß CP-Verletzung teilweise durch neue Physik erklärt werden muß. - Die Kosmologie legt nahe, daß es zum Standardmodell eine zusätzliche Quelle von CP-Verletzung geben muß (Materie - Antimaterie-Asymmetrie). - CP-Verletzung wurde bislang nur in der Zerfallsamplitude von KL-Mesonen nachgewiesen. Im B-Meson-System stehen viel mehr Zerfallsmoden zur Verfügung. Für viele davon macht das Standardmodell genaue Vorhersagen, so daß Abweichungen detektiert werden könnten.

  23. Exakte Symmetrie ist unnatürlich!

  24. ( ) Vud Vus Vub VCKM = Vcd Vcs Vcb = VCKM(3) + dVCKM Vtd Vts Vtb ( ) 1- l2 l A l3(r-ih) VCKM(3) = -l 1-l2/2 A l2 A l3 (1-r-ih) -Al2 1 CKM-Matrix Vij sind proportional zur Stärke der Kopplung von down-artigen (d, s, b) und up-artigen Quarks (u, c, t) an W± .

  25. VtdVud + VtsVus + VtbVub = 0 VtdVtb + VcdVcb + VudVub = 0  Vub  Vtd Vtd Vub      Vcb Vts CKM-Unitaritätsdreiecke im B-System arg Vcb = 0, arg Vub = , arg Vtd = , arg Vts = 

  26. Messung der CKM-Parameter • Beispiele: • b + g Bd0 -> p+ p- • b Bd0 -> J/y KS • g - 2 dg Bs0 -> DS±K ± • dgBs0 -> J/y F • g Bd0 -> D0K*0, D0K*0 , ... • Experimentelle Anforderungen: • Hohe Statistik für Bu,d,s-Zerfälle mit Verzweigungsverhältnissen < 10-7 • Ausgezeichnete Zeitauflösung • Ausgezeichnete Teilchenidentifikation • Effizientes und flexibles Triggerschema, auch für Hadronen. • Hohe Statistik wird bei LHC leicht erreicht, da: • B-Produktionswirkungsquerschnitt bei 14 TeV: • LHCb-Luminosität: - sbb ≈ 500 mb 2 1032 cm-2 s-1 Rate(bb) = 105 s-1 : 0.5% des totalen inelastischen Querschnitts

  27. Spezialexperiment LHCb

  28. Spezialexperiment LHCb Schnitt transversal zum Magnetfeld Müondetektor HCAL ECAL Abschirmung Magnet RICH 2 Tracker RICH 1 Vertexdetektor 1.9 < h < 4.9 x/m z/m

  29. LHCb-Detektor Vertexdetektor: Si r-f Streifendetektor, einseitig, 150mm dick, Analogreadout Tracking-System: Außen: Driftkammer Innen: Micro-Strip Gasdetektor oder Kathodenstreifenkammer (Option: Siliziumdetektor) RICH-Detektoren (Ring Imaging Cherenkov): RICH-1: Aerogel (n = 1.03) C4F10 (n = 1.0014) RICH-2: CF4 (n = 1.0005) Photodetektor; Hybridphotodioden (Ersatz: Photoelektronenvervielfacher) Kalorimeter: Preshower-Detektor: Blei-Szintillatorschicht (14/10 mm) Elektromagnetisches K.: Blei-Szintillator, 25X0, 10% Auflösung Hadron: Tile-Kalorimeter, 7.3l, 80% Auflösung Müonsystem: Multi-gap Resistive Plate Chamber und Cathode Pad Chamber

  30. LHCb-Ereignis im Vertexdetektor Müon zum Triggern Primärvertex Auflösung: Zerfallsdistanz 120 mm, Zerfallszeit 0.4 ps

  31. Schwerionenphysik Zweck ist Studium des Deconfinement. Das Quark-Gluon-Plasma (QGP) wurde ziemlich sicher schon bei Schwerionen-experimenten erzeugt. Die Energie reicht jedoch nur gerade aus. Bei LHC wird das QGP routinemäßig erzeugt werden. Bei der Kollision von Kernen werden u.a. charm- und bottomhältige Teilchen (J/y, Y) erzeugt. Bei Kollisionen von schweren Kernen entstehen jedoch weniger als bei Kollisionen von leichten Kernen. Strangeness-Erzeugung sollte erhöht sein. Am LHC ist das Spezialexperiment ALICE zum Studium des QGP vorgesehen. Es ist zur Zeit an der Stelle des LEP-Experiments L3 in Bau.

  32. Schwerionenphysik Pb-Pb-Kollision im NA49-Experiment des CERN Die enorme Anzahl der Teilchen ist die größte experimentelle Herausforderung der Schwerionenphysik. In den derzeitigen Experimenten werden im Mittel bei Blei-Kollisionen 1500 Spuren erzeugt. Bei LHC wird diese Zahl 50 000 sein! Teilchenidentifikation ist essentiell.

  33. Schwerionenexperiment ALICE

  34. TOTEM TOTEM ist ein Spezialexperiment für die Messung des Gesamtwirkungsquerschnitts, von elastischer Streuung und diffraktiven Prozessen. Der Gesamtwirkungsquerschnitt wird luminositätsunabhängig bestimmt durch gleichzeitige Messung von elastischen Streuprozessen mit geringem Inpulstransfer und von inelastischen Wechselwirkungen. Mit dieser Methode ist auch eine absolute Kalibration der Beschleunigerluminosität möglich. Der Detektor besteht aus: - Teleskopen von "Roman Pots" symmetrisch auf beiden Seiten der Wechselwirkungsregion CMS. Sie dienen zur Messung von Protonen, die mit sehr kleinen Winkeln in elastischen oder quasi-elastischen Reaktionen gestreut werden. - einem Detektor zur Messung aller inelastischen Prozesse im Rapiditätsbereich 3 bis 7.

  35. ATLAS Universität Innsbruck: Simulationsstudien (B-Physik, …), Physikanalyse CMS Institut für Hochergiephysik der ÖAW: Globaler Triggerprozessor Regionaler + globaler Müontriggerprozessor Bau von Modulen und Steuerelektronik des Silizium-Trackers und Pixeldetektors Bau von Teilen des Alignment-Systems Software, Simulationsstudien (SUSY, …), Physikanalyse Neue Mitarbeiter und Studenten (Sommer, Diplomarbeiten, Dissertationen) willkommen! Österreichische Beiträge zu LHC-Experimenten

  36. B. Southworth, G. Boixader We hope you have enjoyed the world of particles as much as we do. We have so much to learn, to increase man’s knowledge and his control over his environment And so we say good-bye THE END

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