Die Weltmaschine LHC am CERN: Einblicke in das frühe Universum - Accelerating Science and Innovation
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Accelerating Science and Innovation
!
Die Weltmaschine LHC am CERN:
Einblicke in das frühe Universum
Glion Colloquium / June 2009
R.-D. Heuer, CERN 1
München, 28 Juli 2012
CERN’ s Auftrag!
q Grundlagenforschung: Erweiterung der
Grenzen menschlichen Wissens!
!z.B. Erkenntnisse zur Entwicklung des frühen Universums!
q Entwicklung neuer Technologien für!
Beschleuniger und Detektoren!
!Informationstechnologie - WWW und GRID!
!Medizin - Diagnose und Therapie!
q Ausbildung der Wissenschaftler und !
Ingenieure von morgen!
q Völkerverständigung!
Today’s Scientific Challenge:
to understand the very first moments of our Universe
after the Big Bang
Big Bang
13.7 Billion Years
Today
1028 cm
Urknall
Proton
Atom
Radius of Earth
Earth to Sun
Radius von Galaxien
Universum
LHC
Super-Mikroskop
ALMA
Hubble
AMS
VLT
The role of accelerators high energy: Resolving the inner structure of matter: E = hc/λ Production of new Particles : E = m c2 high statistics (= high “luminosity”): Precision measurements
Urknall
Proton
Atom
Radius of Earth
Earth to Sun
Radius von Galaxien
Universum
LHC
Super-Mikroskop
ALMA
Hubble
Untersuchung der physikalischen Gesetze im frühen
Universum : Symbiose zwischen Teilchenphysik,
Astrophysik und Kosmologie AMS
VLT
What have we learned the last 50 years
or
Status of the Standard Model
The physical world is
composed of
Quarks and Leptons
(Fermions)
interacting via force carriers
(Gauge Bosons)
Last entries: top-quark 1995
tau-neutrino 2000
plus corresponding antiparticles
Particles and anti-particles are always created in pairs ...
Energy to mass
... and they can also annihilate each other
Mass to energy:
No sign of antimatter in the Universe
Standardmodell
Standard Modell der Teilchenphysik
(Glashow, Salam, Weinberg: Nobelpreis 1979)
Mathematischer Formalismus,
beschreibt alle Wechselwirkungen vermittelt durch
schwache, elektromagnetische und starke Kraft
experimentelle Tests mit sehr hoher Präzision
bis zu Abständen ~10 -18 m
bzw. Energien von O(100 GeV)
aber . . .
DER fehlende Baustein des Standardmodells
. . . Formalismus nur gültig für masselose Teilchen !
à Was ist der Ursprung der Masse elementarer Teilchen?
Mögliche Lösung:
Masse = Eigenschaft von Teilchen der Energie E sich mit
Geschwindigkeit v/c = (1-m2/E2)1/2 zu bewegen
è Einführung eines skalaren Feldes
Teilchen erhalten Masse durch
Wechselwirkung mit diesem Higgs-Feld Benannt nach
Peter Higgs
Selbstwechselwirkung —> Higgs-TeilchenDER fehlende Baustein des Standardmodells
. . . Formalismus nur gültig für masselose Teilchen !
à Was ist der Ursprung der Masse elementarer Teilchen?
Mögliche Lösung::
Masse = Eigenschaft von Teilchen der Energie E sich mit
Geschwindigkeit v/c = (1-m2/E2)1/2 zu bewegen
è Einführung eines skalaren Feldes
Teilchen erhalten Masse durch
Wechselwirkung mit diesem Higgs-Feld Benannt nach
Selbstwechselwirkung —> Higgs-Teilchen Peter Higgs
Higgs-Teilchen = letzter fehlender Baustein im Standardmodell
aber:
existiert das Higgs-Teilchen überhaupt ??
und darüber hinaus. . . . . . . .Offene Fragen der Teilchenphysik
. . . lässt das Standardmodell
viele Fragen unbeantwortet:
Vereinheitlichung der Kräfte
Symmetrie von Materie und Kräften
Vereinheitlichung von Quantenphysik und
Relativitätstheorie
Anzahl der Raum/Zeit Dimensionen
Was ist Dunkle Materie
Was ist Dunkle Energieinsbesonders. . .
Standard Modell
DAS ENERGIE DICHTE BUDGET
ΩB BARYONS
ΩCDM DARK MATTER
Ων NEUTRINOS
Ω DE DARK ENERGY
ΩTOT = Ω B + ΩCDM + Ων + Ω DE
à Mit dem Large Hadron Collider stehen wir heute am Anfang
der Erforschung des ’Dunklen Universums’the Large Hadron Collider (LHC)!
• Largest scientific instrument
ever built, 27km of circumference
• >10 000 people involved in its
design and construction
• Collides protons to reproduce
conditions at the birth of the
Universe...
...40 million times a second
at Accelerating Science and InnovationLHC: study the elementary particles and their interactions
Acceleration of two beams of particles
(e.g. protons) in ‘bunches’ close to the
speed of light and collide these bunches
proton
beams
The colliding protons break into their
fundamental constituents (e.g. quarks).
colliding These constituents interact at high energy:
protons (new) heavy particles can be produced in the
collision (E=mc2). The higher the accelerator
energy, the heavier the produced particles
can be. These particles then decay into lighter
interacting
(known) particles: electrons, photons, etc.
quarks
By placing high-tech powerful detectors around
production the collision point we can detect the collision
and decay of products and reconstruct what happened in the
a new particle collision (which phenomena, which particles and
F. Gianotti, Melbourne, 10/7/2012
forces were involved, etc.)
2021
Einer der kältesten Orte im Universum…
Mit einer Temperatur von -271 C, bzw. 1.9 K über dem absoluten
Nullpunkt, ist der LHC kälter als das All
22Einer der heißesten Orte in der Galaxie…
Die Kollision zweier Protonstrahlen schafft Temperaturen
1000 Millionen mal höher als in der Sonne,
aber in einem viel kleineren Volumen
23Proton-Proton Collisions at the LHC
§ 2808 + 2808 proton bunches
Today: 1400
separated by 7.5 +
m1400 bunches
→ collisions20 MHz
every 25 crossing
ns rate
= 40 MHz crossing rate
Design Energy:
7 + 7 = 14 TeV § 1011 protons per bunch
Today: 4 + 4 = 8 TeV § at 1034/cm2/s Today: 6.5 x 1033
≈ 35 pp interactions per crossing
pile-up
→ ≈ 109 pp interactions per second !!!
§ in each collision
≈ 1600 charged particles produced
enormous challenge for the detectors
and for data collection/storage/analysisA New Era in Fundamental Science!
CMS LHCb
Exploration of a new energy frontier
Proton-proton and Heavy Ion collisions
ALICE
LHC ring:
27 km circumference
TOTEM
LHCf
MOEDAL
ATLAS
Korea and CERN / July 2009! 25!LHCb!
CMS!
ATLAS!
Versatility of LHC & complementarities of
experiments make the whole of LHC a ALICE!
more powerful instrument than the sum of
its partsdie größten und komplexesten Detektoren
das “ATLAS” Experiment (in der Bauphase)
7000
t,
150
Millionen
Sensoren,
1
petabyte/s !
Messung der Teilchenspuren mit höchster Präzision
27c e ” :
s i d en
i n Re
r ti sts
m “A R N
g r a m C E
Pr o l i d e @
u e s C o l
Ne
Hector Berlioz, “Die Troyaner”, Oper in fünf Akten
Valencia, Palau de les Arts Reina Sofia, 31 Oktober -12 November 2009
ATLAS, 18-12-2009 28Basic processes at LHC
q Jet
q’ Jet
29!Basic processes at LHC!
g W/Z
H
g W/Z
30!Cross Section („Production Rate“) of Various Processes
More than 10 orders of
magnitude difference between
total reaction rate
and
rate of new physics
select 1 out of much more than 10 billion . . .32
Pile-up
Experiments
record data of
high quality
with high
efficiency at Z à μμ event with 20
luminosities reconstructed vertices
(ellipses have 20 σ size
not expected for visibility reasons)
at such an
early stage
F.Gianotti, RRB, 17/10/2011 33Physics=f(Time)! Physics Objectives for 2010-2012 LHC Run I!
Higgs ?!
SUSY ?! Z’!
ZZ Observation!
WZ Observation!
WW Measurements!
Di-top @ TeV!
W/Z + N jets!
W/Z Measurements!
Di-top Observation!
W (& Z) Observation!
We are !
Di-jets! here !
Min. bias!
1 nb-1! 1 pb-1! 1 fb-1!
G. Tonelli, CERN/INFN/UNIPI Integrated Luminosity!
!Most recent electroweak and top cross-section measurements
Inner error: statistical
Outer error: total
q Important on their own and as foundation for Higgs searches
q Most of these processes are reducible or irreducible backgrounds to Higgs
q Reconstruction and measurement of challenging processes (e.g. fully hadronic tt,
single top, ..) are good training for some complex Higgs final states
ATLAS: Status of SM Higgs searches, 4/7/2012 35Excellent performance……!
….in 2010 and 2011!
over 5/fb delivered !
re-discovery of the Standard Model
q Experiments have
about completed their
journey through the
Standard Model …!
and have started to
take us into new
territories …!The New Territory
We are poised to tackle !
some of the most profound questions in physics: !!
!
!
!
!
“Newton’s” unfinished business… what is mass?!
Nature’s favouritism… why is there no more antimatter?!
The secrets of the Big Bang… what was matter like within the first
c moments of the Universe’s life? !
Science’s little embarrassment… what is 96% of the Universe made of?!How
to
study
an,ma.er
at
LHCb
+
B0 → K π
B0 → K+ π-
B0 → K- π+
ACP
=
-‐0.088
±
0.011
±
0.008
Most
precise
and
first
5σ
Observa,on
of
CP
viola,on
in
a
hadronic
machine
Bs → π K
Bs → π+ K-
Bs → π- K+
ACP
=
0.27
±
0.008
±
0.02
First
3σ
evidence
for
CP
asymmetry
in
Bs
decays
17-‐02-‐2012
38
The New Territory
We are poised to tackle !
some of the most profound questions in physics: !!
!
!
!
!
“Newton’s” unfinished business… what is mass?!
Nature’s favouritism… why is there no more antimatter?!
The secrets of the Big Bang… what was matter like within the first
c moments of the Universe’s life? !
Science’s little embarrassment… what is 96% of the Universe made of?!ready to enter the Dark Universe
Dunkle Materie
Astronomie & Astrophysik werden in den nächsten Jahrzehnten
mit neuen Teleskopen erforschen wie Dunkle Materie die
sichtbaren Sterne und Galaxien (mit)geformt hat
Nur am Teilchenbeschleuniger kann Dunkle Materie im Labor
erzeugt werden, um sie genau genug zu verstehen
Bestehend aus einer einzigen Teilchenart?
oder
Variantenreich wie die sichtbare Materie?
LHC könnte der perfekte Beschleuniger sein zum Studium der
Dunklen MaterieSupersymmetry
● unifies matter with forces
for each particle a
supersymmetric partner
(sparticle) of opposite
statistics is introduced
w/o supersymmetry
● allows to unify strong
and electroweak forces
sin2θWSUSY= 0.2335(17)
sin2θWexp = 0.2315(2)
● provides link to string theories with supersymmetry
● provides Dark Matter candidate Energy (GeV)
(stable Lightest Supersymmetric Particle)Beyond the Higgs Boson
Supersymmetry: A New Symmetry in Nature
Candidate Particles for Dark Matter
⇒ Produce Dark Matter in the lab
SUSY particle production at the LHC
43 Picture from Marusa BradacMain ATLAS results on SUSY searches
NEW
1 TeV
o r d e r of
s e d t he b g e tt ing
a v e c ros
T he a ir is
de ls we h b e y ond.
S S M mo Te V and
ined M rks up to 1
ons t r a ua
t he c nd s q
Within g gluinos a USY. …..!
in S
exclud constrained
r
thin fo
. . . but potential for discovery of
SUSY sizeable even at 7 or 8 TeV
44Können wir Aussagen zur Stringtheorie erwarten?
Als Alternative zur Supersymmetrie könnten “Stringanregungen”
am LHC beobachtet werden:
Anregungen von Quarks oder Gluonen, sichtbar in Ereignissen
mit 2 Jets
Ergebnis bisher: Masse dieser Anregungen muss über 4-4.5 TeV
liegen
45Murayama, ICFA Seminar, 2011 CERN
LHC and Theory…
46LHC Resultate, zusammen mit spezifischen
Suchexperimenten nach Dunkler Materie:
• etwa 73% des Universums ist mysteriöse “Dunkle
Energie”.
erste Gleichverteilt
Entdeckungen (‘skalar’).Universum
im Dunklen Treibt das
Universum auseinander.
Herausforderung:
erste Hinweise auf die Welt der Dunklen
Energie im LaborDas Higgs-Teilchen ist anders!
All Materieteilchen sind Spin-1/2 Fermionen
Alle Kraftteilchen sind Spin-1 Bosonen
Higgs-Teilchen sind Spin-0 Bosonen: Skalare
Higgs ist weder Materie noch Kraft
Higgs ist anders
Dies wäre der erste fundamentale Skalar je entdeckt
das Higgs Feld sollte überall im Universum sein
-> erste Hinweise auf Dunkle Energie (Skalarfeld)?
Warum sollte das Higgs-Teilchen das einzige
Teilchen seiner Art sein ?
LHC kann nach diesen Skalaren suchen und sie untersuchenSearch for the Higgs-Boson at the LHC Production rate of the Higgs-Bosons depends on its mass as well as its decay possibilities
SM Higgs
50A Collision with two Photons
A Higgs or
a ‘background’
process without
a Higgs?Status
beginning
of
July
2012
52
It
took
~30
years
to
experimentally
restrict
the
SM
Higgs
mass
to
be
above
114
GeV
CMS
and
ATLAS
independently
eliminated
another
~475
GeV
of
the
range
in
2011
5Status as of July 4, 2012 ATLAS: Status of SM Higgs searches, 4/7/2012 53
Evolution of the excess with time
Energy-scale
systematics
not included
ATLAS: Status of SM Higgs searches, 4/7/2012 54… but that’s only the beginning !
What’s next ?
Measure the properties of the new particle
with high precision
ATLAS: Status of SM Higgs searches, 4/7/2012 55… is it a scalar particle ?
… is it the Higgs Boson?
or one of several?
… its properties could give information
on Dark Matter
… its properties could give first hints
on Dark Energy
our understanding of the Universe
is about to change
ATLAS: Status of SM Higgs searches, 4/7/2012 56LHC Ergebnisse: Studium des Higgs-Mechanismus im Detail Verständnis des Higgs-Teilchens Dies wäre die erste Untersuchung eines skalaren Feldes Dies könnte der allererste Schritt sein zum Verständnis der Dunklen Energie
The predictable future: LHC Time-line
2009 Start of LHC
Run 1: 7 and 8 TeV centre of mass energy, luminosity
ramping up to few 1033 cm-2 s-1, few fb-1 delivered
LHC shut-down to prepare machine for design
2013/14 energy and nominal luminosity
Run 2: Ramp up luminosity to nominal (1034 cm-2 s-1), ~50 to 100
fb-1
2018 Injector and LHC Phase-I upgrades to go to ultimate luminosity
Run 3: Ramp up luminosity to 2.2 x nominal, reaching ~100 fb-1 /
year accumulate few hundred fb-1
~2022 Phase-II: High-luminosity LHC. New focussing magnets and
CRAB cavities for very high luminosity with levelling
Run 4: Collect data until > 3000 fb-1
2030Die letzten Jahrzehnte: geprägt durch Präzisionsuntersuchungen von 5 % unseres Universums à Entdeckung des Standardmodells Der LHC liefert Daten Wir stehen an der Schwelle zu Untersuchungen von 95 % unseres Universums
Die letzten Jahrzehnte: geprägt durch Präzisionsuntersuchungen von 5 % unseres Universums à Entdeckung des Standardmodells Der LHC liefert Daten Wir stehen an der Schwelle zu Untersuchungen von 95 % unseres Universums Brilliante Aussichten im Dunklen Universum
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