Elementarteilchenphysik und die Suche nach dem Higgs-Boson - H Emmerich Kneringer
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Elementarteilchenphysik
und die Suche
nach dem Higgs-Boson
H
Emmerich Kneringer
Institut für Astro- und Teilchenphysik
Workshop
13. November 2013
Aktuell
4.Juli 2012
Öffentliche Ankündigung der Entdeckung des
Higgs-Teilchens
8.Oktober 2013
Nobelpreis für die Vorhersage des Higgs-Teilchens
13. November
Fortbildung Higgs-Teilchen Suche
10. Dezember 2012
Nobelpreisvergabe
2
Nobelpreis
3
Higgs Signal
Inhaltsangabe
a) Vortrag
1. Teilchenphysik (Theorie)
2. Higgsteilchensuche
3. Beschleuniger
4. Detektoren
b) Besichtigung Nebeldiffusionskammer
Pause + Ortswechsel (EDV-Raum)
c) Praktische Aufgaben
Übung 1: Teilchenidentifikation
Übung 2: Ereignisidentifikation
Hauptaufgabe: Massenbestimmung
d) Kombination und Diskussion der Ergebnisse
5
Einschub Einführung in die Teilchenphysik
Die „alten“ Griechen Web
Grundbausteine? Atome!
7
Reise zu den Elementarteilchen
8
Das Proton ist kein
Elementarteilchen!
9
Wie sieht das Innenleben
des Protons wirklich aus?
Es sind diese Dinger, die im LHC-Beschleuniger
aufeinandergeschossen werden!
10Systematik der Elementarteilchen
Vergleich:
Mendelejew 1869
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 4 elementaren Bausteinen.
bb b t
11Kräfte werden
durch Austauschteilchen vermittelt
Synthese!
(gemeinsame
Beschreibung als
Quantenobjekte)
Die Austausch-Teilchen halten die Welt im Kleinsten zusammen.
124 fundamentale Wechselwirkungen
Kraft = Wechselwirkung = Austausch von Boten
n ppn
n p nnn
pn
p
pp n
p p
pn
q q
schwächste 'Kraft'
W im Mikrokosmos,
völlig unbedeutend
131. Das Standardmodell
Beschreibt Teilchen und
deren Wechselwirkungen
starke Kraft
schwache Kraft
elektromagnetische Kraft
nicht Gravitation!
Lagrangedichte des
elektroschwachen Teils:
12 Materieteilchen + 3 Wechselwirkungen + Higgs
Higgs Feld :
Dublett von komplexen Feldern
14“Hadron Builder”
siehe http://homepage.ntlworld.com/e.thyer/quark/HadronBuilder.swf
152. Higgs Suche
Warum?
Wer?
Wie?
Theorie
Symmetrie
Ergebnisse
16Warum 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 waren z.T. unberechenbar,
weil 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?
Die Weltformel
18Die Theoretiker dazu:
The Gang of Six
B
rout E
nglert Guralnik H agen H
iggs K
ibbleDie Theorie
W ±, Z1964
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 tATLAS Experiment
Das ATLAS Experiment am CERN
100 m Der LHC (Large Hadron Collider [= Proton-Proton Kollisionen]) wurde 2008 fertiggestellt; an diesem Beschleuniger wurden Experimente installiert, u.a. das ATLAS Experiment, an dem die Universität Innsbruck beteiligt ist. 29
Für Physiker wichtig:
“Higgs” erklärt den Ursprung der Masse
(nicht den Ursprung des Universums)
Beispiel:
der 5. Treffer in
Google bei der
Suche nach
den Begriffen
“Higgs” und Masse”
(die ersten 3 Treffer sind
Seiten von Wikipedia)Fragen und Missverständnisse
I. Gibt das Higgs-Teilchen den anderen
elementaren Teilchen ihre die Masse?
II. Ist das Higgs-Teilchen also nun für die
Masse alltäglicher Gegenstände
verantwortlich?
Nein, das ist sogenannte
baryonische Masse und
kommt vom Quark-confinement.
III. Wenn man das Higgs-Teilchen nur so
aufwendig erzeugen kann, was für eine
Relevanz kann es dann haben?
31I.+III. Higgs-Feld vs. Higgs-Teilchen
Die träge Masse der elementaren Teilchen ist im
Standardmodell eine Konsequenz der Kopplung
(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
32Higgs-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
33Frage: Wie würde die Welt ohne Higgs aussehen?
Ich zitiere den Physiker Frank Close:
Es würde Masse geben, nämlich die baryonische Masse!
Aber keine Struktur der Materie!
Und damit wohl auch kein Leben!Konsequenz massiver W-Teilchen
Higgs Austauschteilchen der Schwachen
Wechselwirkung bekommen Masse (80 GeV)
sehr kurze Reichweite der schwachen Kraft
Prozesse der schwachen Kraft laufen sehr
langsam ab
-Radioaktivität geht langsam
Kernfusion läuft über diesen Prozess (p n)
Sonne verbrennt ihren Brennstoff sehr langsam
Ohne Higgs ginge das sehr viel schneller
oder es gäbe nur Neutronensterne,
falls m(Proton) > m(Neutron)
» Evolution hätte dann nicht stattfinden können!
» Kein Leben!
35ELEKTROMAGNETISCH (LICHT)
SCHWACHE KRAFT
W-Teilchen massiv!
Proton Neutron: langsamer radioaktiver -Zerfall
Sonne verbrennt Wasserstoff über Milliarden Jahre!Was braucht man für die Higgs-Suche?
a) Beschleuniger H
E = mc2
b) Experiment
Detektor um Kollisionspunkt
Trigger (Analogie Digitalkamera)
Teilchenidentifikation
c) Rechenpower
GRID
d) Theorie
Zur Interpretation der Messungen3. Beschleuniger: LHC
38Der LHC Collider
39Materie aus Energie
neue Materie
1 2
kinetische Energie
5 cm
16 µm
100 Milliarden Protonen (= 1011)
4020 Vertices auf 5 cm
41Einstein Gleichung: E = mc2
Tausche Energie gegen Masse!
Prinzip der Erzeugung neuer Teilchen!
Kollision einmal klassisch und einmal in der Welt
der Elementarteilchen:
424. Detektor rundherum
4343Spuren vermesen
44ATLAS = schnelle Digitalkamera
40 Millionen Bilder pro Sekunde werden geschossen
39 999 800 schlechte Bilder werden sofort aussortiert
Wie geht das??? Trigger
die 200 restlichen Bilder/sec werden gespeichert
1 Bild hat 2 MB (komprimiert; unkomprimiert 1 GB)
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 mind. 1 h Pause 45“Entstehen und Vergehen”
Erzeugung des Higgs-Teilchens
Beschleuniger
1 Billion Proton-Proton Kollisionen notwendig
für 1 Higgs-Teilchen
1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde machbar
jede Viertelstunde ein Higgs-Teilchen, 100 pro Tag
Die Schwierigkeit ist die Auswahl 1:1012
Zerfall
Lebensdauer 1025 s
8 Zerfallsmöglichkeiten
2 für die Entdeckung maßgeblich
» H+
» H Z + Z 4 Leptonen
46Ein Higgs-Zerfall in 4 Myonen Video
Zerfallswahrscheinlichkeiten
125 GeV
48Higgs Teilchen zerfällt in Z + Z
49Simuliertes
Ein Higgs Ereignis
Teilchen im
ATLAS
Detektor
In dieser Kollision
wurde ein Jet von
Teilchen erzeugt,
der nach unten fliegt,
das Higgs Teilchen
wurde mit einem
Impuls nach oben
produziert, aber es
zerfällt praktisch
sofort:
HZ+Z
Z e− + e +
Z − + +
50Wie findet man ein neues Teilchen?
Man rekonstruiert seine Masse aus den
Zerfallsprodukten
Massenplots“Higgs” Entdeckung am LHC – 2012!
ATLAS Simulation (1999) CMS Experiment (2012)
H
H
125 GeV
Histogramm der invarianten Mass von Photonpaaren
(Simulation links und echte Daten rechts).
524. Juli 2012
Anlässlich der größten Konferenz des Jahres
(live Schaltung CERN – Melbourne)
I think, we have it! (Video)
Vorsichtige Formulierung aber bei:
Titel der Vorträge, der Veröffentlichung
Pressemeldung
On 4 July 2012, the CMS and the ATLAS experimental teams at
the Large Hadron Collider independently announced that they each
confirmed the
“formal discovery of a previously unknown
boson of mass between 125 and 127 GeV/c2, whose behaviour
so far has been "consistent with" a Higgs boson.”Generaldirektor des CERN (R. Heuer)
I think, we have it!
54Logik
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!
55Chronologie
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.
56Danke für Ihre Aufmerksamkeit
57Anhang Teilchenidentifikation
59
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
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
65Sie können auch lesen
