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Elementarteilchen und wie wir sie bei LHC sehen können - HEPHY

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Elementarteilchen
und
wie wir sie bei LHC
sehen können
Manfred Jeitler
Institut für Hochenergiephysik
der
Öt
Österreichischen
i hi h Akademie
Ak d i der
d Wissenschaften
Wi
h ft
1
Das Wasserstoffatom
e-
Photonaustausch
P+
Gebundener Zustand - Elektromagnetismus
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
2
Der Wasserstoffkern – das Proton
besteht aus
u zw
zwei „up
„up“-Quarks
Qu
u
und einem
m „„down“-Quark!
w Qu
Elektrische Ladung 2/3
u
P+
u
2/
2/3
d
- 1/3
Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt!
Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen?
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
3
Die starke Kraft (Kernkraft)
3 Farbladungen
8 Gluonen
Messbare Objekte
sind farbneutral.
farbneutral
Es existieren somit
keine freien quarks –
“confinement”
confinement .
(Farbe dient hier nur
als anschauliches Analogon)
u
g
u
(Nobelpreis 2004 an D. Gross,
H.D. Politzer, and F. Wilczek)
d
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
4
u
2/3
Pion +
g
d
1/3
Drei Bindungsmöglichkeiten: (q q q) = (Proton, Neutron, …)
(q q q) = (Antiproton, Antineutron, …)
und (q q) = (Pionen, …)
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
5
Antiteilchen:
Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen,
Teilchen
aber umgekehrte Ladungen („additive Quantenzahlen“)
e-
e+
Elektron
Positron
u
u
up
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
anti-up
6
Kräfte
Starke
Kraft
Gluonen
Schwache
Kraft
W u.
Wu Z-Bosonen
Z Bosonen
Elektromagnetische
Kraft
Photon
W+

Z0
W-
Gravitation – Graviton?
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
g
g
g
g
g
g
g
g
extrem schwach im Vergleich zu den anderen drei Kräften,
Kräften
in Beschleunigerexperimenten vernachlässigbar
7
heutige Situation:
das Standardmodell der Elementarteilchen
Fermionen (Spin ½)
Leptonen
p
L d
Ladung
Wechselwirkungen
Quarks
Q
stark
0
e


+2/3
u
c
t
-1
e


-1/3
d
s
b
g

W, Z
u
d
d
u
u
d
+1
Neutron
Baryonen
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
Elektromagn. Kraft
Schwache Kraft
Schwerkraft
schwach
0
Proton
?
Starke Kraft
Kräfteteilchen = Bosonen
(Spin 1)
h
Higgs – Boson?
8
Das Standardmodell kann n
nurr
dann richtig sein, wenn es noch
ein weiteres Teilchen g
gibt: das
Higgs-Boson (sonst hätten
nämlich die Elementarteilchen
keine Masse
Masse, was im Wider
Widerspruch zur Beobachtung steht).
Es wurde allerdings noch nicht
gefunden.
Die Suche nach dem HiggsTeilchen ist daher eine der
großen Aufgaben der heutigen
Physik.
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
9
Peter Higgs
gg vor einem
LHC-Detektor
9
Supersymmetrie
Der Weg zur allumfassenden Theorie?
Symmetrien spielen in der modernen Physik
(wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da
sich in ihnen die Grundprinzipien
p
p
der Natur
manifestieren.
Die g
größte mögliche
g
Symmetrie
y
der Naturgesetze
g
wird
SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine
Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und
Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit,
Möglichkeit
unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der
Materie (das so genannte Standardmodell) in eine
größere, umfassendere Theorie einzubetten.
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
10
SUSY Teilchen
können spektakuläre
Signaturen
g
durch
Kaskadenzerfälle
aufweisen.
Die Suche
Di
h nach
h diesen
di
neuen supersymmetrischen
i h Teilchen
T il h - und
d
nach so manchen anderen, vermuteten oder noch völlig unbekannten
Erscheinungen - gehört zu den vorrangigen Aufgaben der großen
E
Experimente
i
t am LHC im
i CERN.
CERN
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
11
Aufbau eines LHC-Experiments (hier: „CMS“)
D verschiedenen
Die
h d
D
Detektoren
k
sind
d zwiebelförmig
b lfö
ineinandergeschachtelt.
d
h h l
12
CMS: schematischer Aufbau
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
13
Montage der Endkappen
22 Jan 08
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
14
Komponenten eines LHC-Experimentes
Myon-Detektoren
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
15
Einbau des „Tracking“-Detektors
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
16
Installation des Strahlrohres
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
17
Installation des „Pixel“„Pixel“-Detektors
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
18
... vor dem Schliessen
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
19
... geschlossen !
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
20
DANKE FÜR IHRE
AUFMERKSAMKEIT !
21
EXTRA
22
Teilchenphysik und Kosmologie
Fragen der Kosmologie an die Teilchenph
Teilchenphysik:
sik
 Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie?
Woher kommt die Dunkle Energie?
 Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie?
 Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik
des ganz Kleinen geben – die Elementarteilchenphysik
Atome
(Bekannt
e Materie)
3%
Dunkle Materie
23%
Dunkle
Energie
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
23
Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik
(die zur Zeit experimentell untersucht werden)
• Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums?
• Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?
• Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse?
• Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich der
Gravitation?
• Wie bekommen die Teilchen eine Masse?
(durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen? Welche Masse hat das
Higgs-Teilchen?)
Warum sind die Massen der bekannten Teilchen so unterschiedlich?
• Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie
(SUSY)
’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen.
• Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …)
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
24
Das Standardmodell der Elementarteilchen
2/3
u
c
t
-2/3
u
c
t
-1/3
d
s
b
1/3
d
s
b
0
e
e-

0
e


-1
e-
-
-
+1
e+
+
+
2. Gen.
3. Gen.
1. Gen.
2. Gen.
3. Gen.
Antimaterie
1. Gen.
El. Lad
dung
Materie
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
25
Das Standardmodell ist nun komplett, außer dem ominösen Higgs-Teilchen.
1964 entwickelte der britische Physiker Peter Higgs einen formalen Mechanismus,
Mechanismus
durch den zunächst masselose Teilchen durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld
(dem Higgs-Feld) massiv werden.
Das Higgs-Boson ist für die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil es – bisher –
di einfachste
die
i f hst b
bekannte
k
t und
d experimentell
i
t ll k
konsistente
sist t E
Erklärung
klä
d
dafür
fü ist
ist, wie
i di
die K
Kraftteilchen
ftt il h
eine Masse haben können – denn die grundlegende Theorie erfordert masselose Kraftteilchen, da sie
ansonsten mathematisch nicht funktioniert.
Di WDie
W und
nd Z-Bosonen,
Z B s n n h
haben
b n aber
b ssogar eine
in recht
ht große
ß M
Masse!
ss !
Der Higgs-Mechanismus erklärt nun, wie eigentlich masselose Kraftteilchen durch Wechselwirkung
mit dem Higgsfeld eine Masse erhalten können. Weiter gelingt so die Vereinheitlichung von
elektromagnetischer
l ktr m n tisch r und sch
schwacher
ch r W
Wechselwirkung,
chs l irkun d
da b
beide
id auf
uf nur eine,
in grundlegende
rundl
nd
"elektroschwache" Wechselwirkung mit (ursprünglich) lauter masselosen Kraftteilchen zurückgeführt
werden können. Da viele spezielle Eigenschaften einer solchen elektroschwachen Wechselwirkung sich
experimentell sehr gut bestätigt haben, gilt das Standardmodell mit einem Higgs-Teilchen als
durchaus gut abgesichert.
abgesichert
Sollte das Higgs-Teilchen existieren, dann wird es mit an Sicherheit
grenzender Wahrscheinlichkeit
g
W
am
m LHC entdeckt werden!
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
26
10. September 2008: Erste Teilchen aus dem Beschleuniger
Protonstrahl (~2x109 p) trifft auf Kollimator ~150 m vor dem Detektor
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
27
LHC-Detektoren: Datenraten
Bunch crossing
g rate: 40Mhz
25ns
20 Kollisionen / crossing = O(Pb/s)
O(100Mb/s) = O(Pb/yr) = 105 DL-DVD/yr
pro Event: 1-2Mb (Tracks, Calo-Daten, etc.)
Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik
28
Urknall am LHC?
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29
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Seele and Geist
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