Higgs-Jagd Weltmaschine - an der Th. Naumann

Higgs-Jagd
 an der
Weltmaschine

 Th. Naumann
 Deutsches Elektronen-Synchrotron
 DESY

Das größte Teilchenphysik-
 Labor der Welt
The LHC: Citius, Altius, Fortius…

 James Gillies, Head, communication group, CERN
 27 November 2006

Das größte Experiment der Menschheit

 Large Hadron Collider
 The LHC: Citius, Altius, Fortius…

 LHC
 James Gillies, Head, communication group, CERN
 27 November 2006

 bei Genf

 3

Die großen Fragen

Die Weltmaschine
Die Experimente

Resultate: Higgs
 SUSY
 4

 4

Die Bausteine der Welt

 QUARKS

LEPTONEN

 13

Kräfte
werden vermittelt durch

Austausch von Teilchen 15

Die vier Kräfte

 16

Vereinigung
 der Kräfte

 mp = 1 GeV

 24

Das
 Higgs-
Teilchen
 29

Was ist Masse ?
 Was fixiert
 diese
 Massen?

 Top-Quark

 Masse des
 Gold-Kerns

 30

Was ist Masse?

 31

Higgs-Mechanismus
● Theorie der elektromagnetischen,
 schwachen + starken Kraft ist perfekt.
● Elektromagnetismus: Freiheit,
 Potentiale umzueichen = Eichtheorie
● Photon + Gluon masselos - ok,
 aber W-Bosonen massiv +
 eichverletzend !
● neues Higgsfeld kürzt eichverletzende Terme:

 W W W W
 Peter Higgs 1964
 Z H
 W W W W
 aber auch:
● Higgs-Teilchen: Brout, Englert, Kibble,
 erklärt Masse + ist Hagen, Guralnik
 Anderson, Nambu, Goldstone
 Schluss-Stein der Theorie - Weinberg

 Suche am LHC !
● koppelt nicht universell, sondern ~ Masse
 35

Super-
Symmetrie

 66

Super-Symmetrie
 Photon
 Elektron Quark
Fermion Boson

 Photino
 Selektron
 Squark
Boson Fermion

 Super - Symmetrie
 Spiegelwelt
 1928-32
 vereinigt
 Dirac - Anderson

 Bosonen mit- Positron
 Fermionen
 Materie - Antimaterie
 Elektron
 Kraft mit PETMaterie
 67

Super-Symmetrie
Standard-Teilchen SUSY-Teilchen

 Dunkle Materie = SUSY-Teilchen ?

 LHC ! 68

SUSY breaking
Selektron
>100.000 mal

 wer
Elektron-Masse

 bricht
 SUSY ?
 Elektron =
 Positron

 70

Urknall
 im
 Labor
 Was ist der
 Gibt es Ursprung
 Extra der Masse?
Dimensionen?

 Ist die Natur Was sind
 super- Dunkle Materie +
 symmetrisch? Dunkle Energie?

 91

Das größte Experiment der Menschheit

 Large Hadron Collider
 The LHC: Citius, Altius, Fortius…
 LHC
 James Gillies, Head, communication group, CERN
 27 November 2006

93

LHC
 Protonen kreisen im LHC gegenläufig.

 100 m
 tief

 LHC:
 27 km
 Länge

 94
Sie werden auf 7 TeV beschleunigt und kollidieren in 4 Experimenten.

13 kA, 8.4 T
 Energie:
 10 GJ
 = Airbus A380
 = 560 t @ 70097km/h
= schmilzt 15 t Kupfer!
 97
 97

LHC
Die schnellste Rennbahn der Welt

 Einige tausend Milliarden Protonen umrunden
den 27 km langen Ring über 11 000 Mal je Sekunde.

LHC
 Leerer und kälter als der Weltraum !

 > 1 LKW/h, 470 total

Der Druck in den Strahlrohren von 10-10 Torr Mit einer Temperatur von 1.9 K ist der
 ist ca. 10 Mal niedriger als auf dem Mond. LHC kälter als der Weltraum mit 2.7 K.
 Das Vakuum von 9.000 m3 10.000 t Stickstoff und 135 t Helium
 hat das Volumen einer Kathedrale. kühlen 37.000 t Material. 100

LHC Strahl
 Gesamtenergie der Protonstrahlen: 2x350 MJ
 240 Elefanten auf Kollisionskurs

120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h
 Nadelöhr:
 0.30 mm Durchmesser
 Protonstrahl am Kollisionspunkt:
 0.02 mm Durchmesser
 Proton-Energie:
 Mücke im Flug 104
 1 µJ
 104

Experimente
 ATLAS
 >3.000 Physiker
 174 Institutionen
 38 Staaten

 105

AT
LAS

 109

ATLAS

 110

 110
 110

ATLAS

 L = 44 m
 R = 25 m
 7000 t

Vorwärts Muon Kammern

Flüssig Argon Kalorimeter Silizium-Detektoren

 83 m3 flüssiges Ar ~100 Millionen Kanäle ~100 m2 Si 111

CMS

 113

CMS

 115

CMS 75848 PbWO4 Kristalle

 Photon-Nachweis
 Higgs → 

 116

Vom Web zum Grid
 Rohdaten: Enddaten:
 100 Millionen Kanäle 500 Hz ∙ 1.5 MB =
109 Ereignisse/s * 1 MB = 750 MB/s = 3 TB/h

 1 PB/s 2∙109 Ereignisse /a =

 3 PB /a

 CERN

 finde
 alle Daten: ~100 Signale/a

 real + simuliert
 (2+6)∙109 Ereignisse
 Nadel in
 4 Experimente etc: 100.000
 ~200 PB Heuhaufen
 123

Erste Kollisionen

 127

Wo
 ist
 das
Higgs
 ?
 136

Higgs-Suche
 l j
 g H Z _
 l
 W,Z
H t H j
 l
 g Z l
 _ W,Z _
 l l

einfach, aber selten: sauber, aber selten Jets + Neutrinos:
 ~ a2 < 10-4 (Γl/ΓZ)2 ~ (3%)2 ~ 10-3 breit
 Br = 0.23 % Br = 2.6 % Br = 22 %

high
background

 140

H
 →
 
 mgg =
126.9 GeV vertex pointing

 142

m4 =
 125 GeV

H → ZZ → 4 candidate 148

Special Fundamental Physics Prize 2013
 Milner Foundation
 3 million $

 P Jenni, F Gianotti (ATLAS),
 M Della Negra, T Virdee,
 G Tonelli, J Incandela (CMS)
 Lyn Evans (LHC)

 for their leadership role
 in the scientific endeavour
 that led to the discovery of the
 new Higgs-like particle
 by the ATLAS and CMS collaborations
 at CERN's Large Hadron Collider.
 http://dx.doi.org/10.1016/j.physletb.2012.08.020 155

Higgs → 
 ATLAS CMS

 ATLAS-CONF-2013-012, 023.
 arXiv:1207.7235. Phys.Lett. B716 (2012) 29

 7.4 σ Signifikanz 4.1 σ Signifikanz
 1.6±0.3 x Standard-Modell 1.6±0.3 x Standard-Modell
Masse = 126.8 ± 0.2 (stat) ± 0.7 (syst) GeV Spin 2 unwahrscheinlich
 158

Higgs → ZZ → 4ℓ
 ATLAS CMS

 ATLAS-CONF-2013-013. CMS-PAS-HIG-13-002,3,4

 Signifikanz 6.6 σ Signifikanz 6.7 σ
Masse = 124.2 ± 0.6 (stat) ± 0.4 (syst) GeV Masse = 125.8 ± 0.5 (stat) ± 0.2 (syst) GeV
 1.7±0.5 x Standardmodell 0.9±0.3 x Standardmodell
32 Events gesehen, erwartet S+B = 16±2 + 11±1 Spin 0+ bevorzugt über 0-,1,2 mit ~2 σ
 160

Ist es das Higgs ?
 Kopplung ~ Masse:
 H → Fermionen: meist Top H → Bosonen: WW, ZZ H → 
 g g
 H t - H W destruktive Interferenz
 g g

 CMS-PAS-HIG-12-045

 = 0.9 ± 0.2

ATLAS-CONF-2013-025.

 JPC ? 165

Super-
Symmetrie
 photon
 electron quark

 photino

 selectron
 squark

 Gibt es eine Spiegelwelt ?
 174

SUSY
 • Produktion:
 - SUSY-Quarks, Gluinos: stark !

 • Zerfall spektakulär:
 - Neutralino entweicht,
 der Kandidat für Dunkle Materie,
 transversale Energie fehlt
 SUSY: 6 Jets - viele Jets aus SUSY-Quarks
 - viele Leptonen aus SUSY-Leptonen

2 Jets + 3 Leptonen
 175

SUSY
 Kandidat
 ET miss =
 460 GeV
 pT jet =
 528, 418, 233,
 171, 42 GeV

 meff = 1810 GeV

 òData

 Entries / 100 GeV
 -1
 L dt = 4.7 fb
 4 2011 ( s = 7 TeV)
 10
 SM Total
 t t and single top
 Z+jets
 103 W+jets
 Diboson

 Zerfall spektakulär: 102
 multijet
 SM+SU(500,570,0,10)
 SM+SU(2500,270,0,10)
 ATLAS Preliminary
 Kandidat für Dunkle Materie,
 SRA
 10
 Neutralino entweicht:
 1
 transversale Energie fehlt
viele Jets
 2.50 500 (SUSY-Quarks)
 1000 1500 2000 2500 +3000

 DATA / SM
 2
viele Leptonen
 1.5
 1
 (SUSY-Leptonen)
 0.5
 0
 0 500 1000 1500 2000 2500 181
 3000
 meff (incl.) [GeV]

SUSY
Limits
 ATLAS-CONF-2012-109, 140.

Squark + Gluino Massen-Limits in einfachen SUSY-Modellen:
MSUGRA/CMSSM + leichtes Neutralino
- für alle Gluino-Massen: M (Squark) > 1.4 TeV
- für alle Squark-Massen: M (Gluino) > 1.0 TeV
- für gleiche Gluino + Squark-Massen: > 1.5 TeV
 ≳1 TeV
- Limits hängen ab von Parametern wie Neutralino-Masse

LHC Entdeckungen

 2012: Jahr des Higgs

 shutdown SLHC

2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 year
 198

LHC - wie weiter ?
- E = 2×4 TeV
- Intensität ~ Design

- die skalare Welt
 des Higgs :
 Spin, Kopplungen, ...

- SUSY, wo bist Du: >1 TeV ?
- Extra Dimensionen: >3 TeV

- Blei-Ionen: Quark-Gluon Plasma

Reparatur 2013-4
Restart 2015:
 - E = 2×7 TeV , volle Leistung =>
 - volles Entdeckungspotential
 199

Higgs -
 ein neues Feld

Spin Feld abgeleitet fundamental
0 Skalar Temperatur, Druck, ... Higgs. Inflaton, kosmolog. Konst. / Dunkle Energie
1 Vektor Strömung: Wind, Wasser Kräfte: Elektromagnetismus
2 Tensor Elastizität Gravitation
½ Spinor Bausteine = Fermionen: Elektron, Quarks
 200

Terra
Incognita
zu neuen Ufern

 205

Kolumbus
suchte Indien.
Er entdeckte
 Amerika.

 206

Expect
 the
Unexpected

 207