Large Hadron Collider Das LHC-Experiment Markus Kern HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik WS 2008/09

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  • Large Hadron Collider Das LHC-Experiment Markus Kern HS Schlsselexperimente der Elementarteilchenphysik WS 2008/09
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  • Large Hadron Collider Inhalt Ein kurzer berblick ber den LHC Die Physik am LHC Die Suche nach dem Higgsboson Supersymmetrie Der CMS-Detektor im Detail
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  • Large Hadron Collider Der Large Hadron Collider
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  • Large Hadron Collider Der LHC im berblick 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
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  • Large Hadron Collider Beschleunigerrohr 15 m Lnge 35 t Gewicht ber 1000 Stck Nb-Ti-Legierung supraleitend unter 10K Magnetfeld von 8,33 T bei 1,9 K 11 700 A notwendig zum Aufbau des Magnetfelds
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  • Large Hadron Collider Stillstand des LHC Magnettest Sektor 3-4 Defekte elektrische Verbindung Lokale Erwrmung Supraleitung geht verloren Schden an Kabeln, Rohren und Magneten Heliumaustritt Wiederinbetriebnahme voraussichtlich Juli 2009
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  • Large Hadron Collider Das Standardmodell Das Standardmodell ist eine Eichtheorie, die auf der Eichgruppe SU(3) C x SU(2) W x U(1) Y beruht. Eichprinzip: Die Invarianz einer Gleichung, unter lokalen (ortsabhngigen) Phasentransformationen, erfordert die Existenz eines Vektorfeldes, das mittransformiert wird. Bsp: Lokale Transformationen bzgl. SU(3) C fhren zur Existenz der Gluonenfelder. Eichprinzip setzt masselose Teilchen voraus. Experimente zeigen Ws und Z haben Masse. Higgsmechanismus rettet Eichprinzip durch Einfhrung des Higgsfelds und des Higgsbosons.
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  • Large Hadron Collider Higgsproduktion
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  • Wirkungsquerschnitte
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  • Higgszerfall
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  • Higgszerfall II
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  • Large Hadron Collider Probleme des Standardmodells Das Eichproblem: Warum gibt es 3 unabhngige Eichgruppen? Ist nur eine Eichgruppe mglich? Das Parameterproblem: Es gibt mindestens 18 freie Parameter im SM. Knnen 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 Grenordnungen grer als die Masse selbst, daher mssen die Parameter des Higgspotentials unnatrlich fine-getunt werden.
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  • Large Hadron Collider Supersymmetrie Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen SUSY Partner von Fermionen erhalten ein vorangestelltes s Bei Bosonen ersetzt man die Endung on durch ino oder hngt ein ino an Perfekte Symmetrie erfordert identische Particle- und Sparticlemassen Bisher keine Sparticles gefunden SUSY ist eine gebrochene Symmetrie
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  • Large Hadron Collider Lsung des Eichproblems Supersymmetrisches Modell erlaubt die Vereinigung der WW bei hohen Energien Im SM nicht mglich, da kein gemeinsamer Schnittpunkt vorhanden
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  • Large Hadron Collider Lsung des Fine-Tuning-Problems Strahlungskorrekturen enthalten nun auch Superpartner, diese unterscheiden sich nur durch das Vorzeichen Korrekturen heben sich gegenseitig auf
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  • Large Hadron Collider MSSM Das MSSM ist die kleinstmgliche Erweiterung des SM zu einem supersymmetrischen Modell Existenz einer neuen multiplikativen Quantenzahl R-Paritt, Erhaltungsgre im MSSM SM-Teilchen: R=+1SUSY-Teilchen: R=-1 Konsequenzen: Das LSP ist stabil und damit ein Kandidat fr dunkle Materie Sparticles knnen nur paarweise erzeugt werden Jedes schwerere Sparticle zerfllt in eine ungerade Anzahl von LSPs
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  • Large Hadron Collider Nachweis eines SUSY Ereignisses Zerfallskette der Sparticles endet mit den LSPs, die mit dem leichtesten Neutralino identifiziert werden Ohne WW mit normaler Materie knnen LSPs aus dem Detektor entkommen Nachweismglichkeit durch fehlende Energie
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  • Large Hadron Collider Der CMS-Detektor
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  • Large Hadron Collider Teilchenspuren im Detektor
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  • Large Hadron Collider Pixeldetektor 65 Millionen Pixel 3 zylindrische Schichten mit 4cm, 7cm und 10cm Abstand zum Teilchenstrahl Teilchen erzeugen beim Durchfliegen Elektronen-Loch-Paare elektrische Signale
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  • Large Hadron Collider Streifendetektor 10 Lagen Siliziumstreifendetektoren Flche ber 200m 2 Unterschiedliche Ausrichtung der Streifen erlaubt 3D Rekonstruktion der Teilchenspur
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  • Large Hadron Collider Karlsruher Beteiligung 8000 Sensoren wurden mit 2 selbstentwickelten automatischen Probestationen berprft ber 100 Petals wurden gebaut Jedes Petal enthlt ca. 20 Module mit ca. 16000 Streifen
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  • Large Hadron Collider ECAL Szintillationskalorimeter Besteht aus fast 80 000 PbWO 4 Kristallen. Kurze Strahlungslnge: X 0 =0,89cm Schnelle Reaktionszeit: 80% des Lichts werden in 25ns emittiert Geringe Lichtausbeute: 30 /MeV
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  • Large Hadron Collider HCAL Die Absorber bestehen aus Messingplatten Hohe Dicke des Absorbers notwendig, da Hadronen ihre Energie hauptschlich durch starke WW mit den Kernen verlieren Die Detektoren sind Plastikszintillatoren bzw. Quarzfasern Schauerbildung komplizierter als im ECAL, da verschiedenste Sekundrteilchen entstehen knnen
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  • Large Hadron Collider Solenoid Der CMS Magnet ist der grte supraleitende Magnet, der je gebaut wurde wiegt 12 000 Tonnen ist 100 000 mal strker als das Erdmagnetfeld hat genug Energie um 18 Tonnen Gold zu schmelzen
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  • Large Hadron Collider Der Myonendetektor Verschiedene mit Gas gefllte Driftkammern angepasst an die Myonenrate Durchgehende Myonen ionisieren das Gas Elektronen driften zu positiv geladenen Drhten Ort des Durchgangs lsst sich durch Messung der Driftzeit berechnen
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  • Large Hadron Collider Quellenverzeichnis Peter Schmser: Feynman-Graphen und Eichtheorien fr 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) 279390. Gunnar Klmke: 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. Grnwald, 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
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  • Large Hadron Collider 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
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  • Large Hadron Collider 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.gifhttp://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/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.gifhttp://cms-project-cmsin