CERN und die Suche nach dem rätselhaften Higgs-Teilchen - H Emmerich Kneringer Masterclasses, Innsbruck

CERN und
               die Suche nach dem
           rätselhaften Higgs-Teilchen

                                       H

       Emmerich Kneringer
Institut für Astro- und Teilchenphysik, Uni Innsbruck
   Mitglied des ATLAS Experimentes, CERN, Genf

      Masterclasses, Innsbruck
           14. März 2014

Aktuell

   10. Dezember 2013, Stockholm
       Verleihung des Nobelpreis für Physik
        für die Vorhersage des Higgs-Teilchens
            Video Verleihung
            Video Interview

   4. Juli 2012, CERN
       Öffentliche Ankündigung
        der Entdeckung des Higgs-Teilchens

                                                 2

Higgs
  Signal

statistische
Signifikanz
 (6 sigma)

Inhaltsangabe

1)   CERN
        Was machen denn die da am CERN?
2)   Elementarteilchen
        Systematik
3)   Die Suche nach dem Higgs-Teilchen
        Warum? Wer? Wie?
4)   Beschleuniger
        E = mc2
5)   Detektoren
        Analogie Digitalkamera
6)   Ergebnisse

                                           4

1)
Was machen
denn die da
 am CERN?

Teilchenphysik ist in den Medien immer wieder präsent, speziell durch

    CERN                                = europäisches Zentrum
                                          für Teilchenphysik

     Was machen denn die da so?

Teilchenphysik ist in den Medien immer wieder präsent, speziell durch

      CERN                                            = europäisches Zentrum
                                                        für Teilchenphysik

        Was machen denn die da so?
                                    Antimaterie?

        Mikroskopisch kleine Schwarze Löcher?

                    Neue Teilchen entdecken?

          Überlichtschnelle Neutrinos erzeugen?
Neutrinos haben vor ca. zwei Jahren öffentliche Aufmerksamkeit erregt, als bekannt wurde, dass sie
auf der unterirdischen Rennstrecke CERN  Gran Sasso schneller als erlaubt unterwegs waren.

CERN  Gran Sasso

            OPERA experiment:
            “Neutrinos sind ca. 60 ns
             schneller als Licht.”


                                        8

Mikroskopisch kleine Schwarze Löcher?

                                        9

10

2)
Elementarteilchen

   Quarks mit Farbe und Geschmack

Die „alten“ Griechen

            Grundbausteine?   Atome!

                                       12

Reise zu den Elementarteilchen

                                 13

Das Proton ist kein
Elementarteilchen!

                      14

Systematik der Elementarteilchen
                                                         Vergleich:

                                              1995

                                                       Mendelejew 1869

                                           2000                   e 
 erstes
Teilchen                                                  su          d
  das                                                    u u
entdeckt                                                 d           d
 wurde
                                                         c   c        c
                                                            e s       
            Nur Teilchen der 1. Familie sind stabil!
                                                        s t t         
            Die ganze stabile Materie besteht nur
            aus 3 elementaren Bausteinen.
                                                        bb b          t
                                                                          15

Kräfte
werden durch Austauschteilchen vermittelt

                                               Gemeinsame
                                               Beschreibung
                                                    als
                                              Quantenobjekte!

 Diese Austausch-Teilchen halten die Welt im Kleinsten zusammen.
                                                               16

4 fundamentale Wechselwirkungen
    Wechselwirkung = Austausch von Boten = Kraft

                                                          n ppn
                                                        n p nnn
                                                          pn
                                                               p
                                                         pp n
                                                            p p
                                                           pn
                                                       q         q

                                 schwächste 'Kraft‘,
             W                   im Mikrokosmos
                                 völlig unbedeutend
                                                               17

Higgs-Feld vs. Higgs-Teilchen
   Die Masse der elementaren Teilchen ist eine
    Konsequenz der Wechselwirkung mit dem
    Higgs-Feld, das laut Theorie das ganze
    Vakuum ausfüllt.
   Das Higgs-Teilchen selbst ist eine “Anregung”
    dieses Feldes (aber nicht das Feld selber).

schematisch:

               Higgs-Feld 

                  Wechselwirkungen
                                                    18

Higgs-Feld vermittelt Masse
                                    t
   
                        Z
                     W
                                                     Masse ~ Energie

                       b
                      c                                         1 TeV

                   d s                  W ±, Z
                                                    t-Quark

                    u
                             
                                                    b-Quark
                                         Tau        c-Quark     1 GeV
                                        Myon

                                                   u,d,s
                                                    Quarks

                                e       Elektron
                                                                1 MeV

   
masselos
                                                                        19

Higgs-Teilchen
          sehr instabil, zerfällt sofort

Achtung: Neben dem Higgs-Teilchen gibt es noch ein Higgs-Feld!
                                                                 20

3)
  Die Suche nach
dem Higgs-Teilchen
        H

“Sind Sie schon vertraut mit dem Higgs Boson?”

11. Oktober 2012: “… und nun ist er [P. Higgs] auf dem besten
                     Weg den Nobelpreis zu erhalten.“           22

Higgs Suche

   Warum?

   Wer?

   Wie?

   Etwas Theorie
                    23

Warum suchte man nach dem
           Higgs-Teilchen?

         Weil theoretische Physiker es für
            Ihre Theorien brauchten!!!
Man brauchte einen Mechanismus, der den W- und Z-Teilchen Masse gab!

            Theorien ohne Higgs-Teilchen
               hatten schwerwiegende
               theoretische Probleme.
  Diese Theorien waren z.T. unberechenbar,
 weil genauerer Rechnungen (höherer Ordnung)
   immer wieder  als Ergebnis lieferten!

Was sind denn das für Theorien,
    dass man den Physikern
ein Spielzeug (= Beschleuniger)
   um 1 Milliarde € hinstellt?

         Eichtheorien
 (eine Art Vorläufer der Weltformel)   25

Die Theoretiker dazu:

            The Gang of Six

Brout   E
        nglert   Guralnik   H   agen   H
                                       iggs   K   ibble

Die Gewinner

Brout   E
        nglert    G uralnik   H   agen   H
                                         iggs   K   ibble

Nobelpreis

             28

Wer hat nach dem
       Higgs Teilchen
             gesucht?

            Viele Experimente!
            Aber eben erfolglos.
U.a. auch ich mehrere Jahre lang als PostDoc
          beim ALEPH Experiment.

Wer hat das
          Higgs Teilchen
               gefunden?                      H

                 2 Experimente!
Ich erzähle von dem einen, an dem ich beteiligt bin,
            dem ATLAS Experiment.

The boss

Bürogebäude am CERN

ATLAS Detektor

      Durchmesser      25 m
      Länge            46 m
      Gesamtgewicht   7000 t

ATLAS Experiment

Wie?  Theorie des “Higgs“
   Higgs-Feld verleiht Elementarteilchen ihre Masse
   Eigene Masse mH aber unbekannt
   Kein Drehimpuls (Spin = 0, Boson)

   Sehr instabil (zerfällt praktisch sofort)
   Verschiedene Zerfallsmöglichkeiten
    1. H  2 Photonen
    2. H  2 Z-Teilchen
           Z  e+ e
           Z  + 
                                     Photonen
   Man muss im Detektor
                                     Elektronen
    gut nachweisen können:           Myonen
                                                       35

Higgs-Teilchen zerfällt in Z + Z

                                   36

    +    Simuliertes
 Ein Higgs                              Ereignis
Teilchen im
  ATLAS
 Detektor
In dieser Kollision
wurde ein Jet von
Teilchen erzeugt,
der nach unten fliegt,
                         e+   e
das Higgs Teilchen
wurde mit einem
Impuls nach oben
produziert, aber es
zerfällt praktisch
sofort:
                               Jet
HZ+Z
 Z  e− + e +
 Z  − + +
                                                   37

Wie findet man ein neues Teilchen?

   Man macht einen Hypothesentest
       Null-Hypothese
            “Das Teilchen existiert in den Daten nicht“
       Alternative Hypothese
            “Die Daten enthalten das neue Teilchen“

   Frage:
       Mit welcher Hypothese stimmen die Daten
        besser überein?

Was braucht man für die Higgs-Suche?

a)   Beschleuniger                          H
        E = mc2
b)   Experiment
        Detektor um Kollisionspunkt
        Datenselektion (=Trigger)
        Teilchenidentifikation
c)   Große Rechenleistung
d)   Theorie
        Zur Interpretation der Messungen

4)
Beschleuniger

Mont Blanc

                          Genfer See

                                       CERN
Beschleuniger
Name: LHC
(Large Hadron Collider)
Umfang: 27 km

                                        Tunnel

LHC: der große Hadronenbeschleuniger

 Proton- Proton Collider
                                                   1 eV = ?
     4 TeV + 4 TeV
                                                  keV  103
                                                  MeV  106
                                                  GeV  109
1,000,000,000 Proton-Proton-Kollisionen/Sekunde
                                                  TeV  1012
                                                              42

Beschleunigungs-
    kavitäten
             
             E(t )

                     Strahlrichtung

Einmal Beschleunigung

                        44

Linear-Beschleunigunger

                          45

Kreis-Beschleunigunger

                         46

Bauteile eines Kreisbeschleunigers
           Experiment: Quadrupol Magnete: Fokussierung
            Kollisionen

                                  Dipol
                                Magnete:
                  RF-Kavitäten: Ablenkung
                  Beschleunigung

                                                    47

Was passiert bei Kollisionen?
Tausche Energie gegen Masse! (E = mc2)
                 Prinzip der Erzeugung neuer Teilchen!

Kollision einmal klassisch und einmal in der Welt
der Elementarteilchen:

                                                         48

Materie aus Energie

                    neue Materie

           1                               2

                                     Bewegungsenergie

            5 cm                       2 x 2800 Protonpakete

16 µm

        100 Milliarden Protonen (= 1011)
                                                               49

Ein Higgs-Zerfall in 4 Myonen    Video

5)
   Detektoren
        Wie untersucht man
Kollisionen von Elementarteilchen?

Detektor rundherum

                     5252

Spuren vermessen

                   53

Vergleiche: Space Shuttle Columbia
   2003 beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre explodiert

                                                               54

Erste Kollisionen am 23.11.2009

                                  55

ATLAS = schnelle Digitalkamera

   40 Millionen Bilder pro Sekunde werden geschossen
   39 999 800 schlechte Bilder werden sofort aussortiert
        Wie geht das???       Trigger (dreistufig)
   die 200 restlichen Bilder/Sekunde werden gespeichert
        1 Bild hat komprimiert 2 MB
           0.4 GB pro sec = 3.2 Gbit/s
              » muss Netzwerk und SpeicherServer im Dauerbetrieb schaffen
   Kamera ist typ. 10 Stunden in Betrieb
           15 TB an Daten
   dann mindestens 1 h Pause                                               56

Nadel im Heuhaufen

   Erzeugung des Higgs-Teilchens

       10 Milliarden Proton-Proton Kollisionen notwendig
        für 1 Higgs-Teilchen
         1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde machbar
          alle 10 Sekunden ein Higgs-Teilchen,
           also einige 1000 pro Tag

       Die Schwierigkeit ist die Auswahl 1:1010

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Typisches Detektor Konzept
  Kombiniere verschiedene Detektortypen/
   Technologien in einem großen Detektorsystem

Wechselwirkungs-
     punkt
               Vertex
                          Spur      Magnet
              Detektor   Detektor

  (Zwiebel-) schalenförmiger Aufbau …

Elektron

Photon

Proton

Anti-Myon (+)

Elektron e-

 Photon g

Hadron, zB.
Proton p

  Myon -

 Meson K0

Erkennungsmatrix

           Spur-Detektor Elektromag.   Hadronisches   Myonsystem
                         Kalorimeter   Kalorimeter
Elektron        x             x|

Photon                        x|

Proton          x             x             x|

Myon            x             x             x             x

           x … deutliches Signal
           x| … stoppt

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6)
     Ergebnisse
             4. Juli 2012

       Öffentiche Ankündiggung
   der Entdeckung eines Teilchens,
           “das so aussieht,
wie das lang gesuchte Higgs-Teilchen!“

“Higgs” Entdeckung am LHC – 2012!
 ATLAS Simulation (1999)         CMS Experiment (2012)

             H  gg

                      H

                                 125 GeV
 Histogramm der invarianten Mass von Photonpaaren
 (Simulation links und echte Daten rechts).
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Generaldirektor des CERN (R. Heuer)

       I think, we have it!

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H  2 Photonen
   Kombiniere in jedem Kollisionsereignis immer
    zwei hochenergetische Photonen:
       Mehrere Kombinationen pro Ereignis sind möglich.
   Berechne das Massenäquivalent der beiden
    Photonen:
       Das entspricht der Masse des Higgs-Teilchens,
        falls die beiden Photonen aus einem Higgs-Zerfall
        stammen.
            Falls nicht, dann ist das ein zufälliger Wert, meist
             verschieden von der Masse des Higgs-Teilchens.
   Fülle alle Werte in ein Histogramm ein:
       Untersuche, ob es im Histogramm einen
        signifikanten Buckel gibt!
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1. Beweis: H  2 Photonen

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2. Beweis: H  e- und -Paare

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3. Beweis: 2 unabhängige Experimente
   Konferenz, Juli 2013

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Logik
        Es wurde immer wieder die Frage gestellt:

        “Ist das nun das gesuchte Higg-Teilchen?”

   Dazu eine Analogie:

       Ich sehe aus der Ferne jemanden, der so aussieht
        wie mein Bruder.

       Frage: Ist es auch mein Bruder?

       Antwort: Das muss ich mir genauer ansehen!
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Chronologie
1964: Peter Higgs schlägt das Teilchen vor
1984: Planungsbeginn des LHC Beschleunigers
1992: Innsbruck steigt beim ATLAS Experiment ein
2001: ALEPH findet das Higgs NICHT
     Auch ich habe 2 Jahre lang vergeblich gesucht (‘95-’97).
2009: LHC und ATLAS starten
2011: Erste Anzeichen
2012: Ankündigung der Entdeckung eines
      “neuen Teilchens”
2013: Die Eigenschaften passen!
     Nach 49 Jahren wurde die Theorie bestätigt  Nobelpreis

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit

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