CERN Zukünftige Experimente am Large Hadron Collider des
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Zukünftige Experimente
am Large Hadron Collider des
CERN
Claudia-Elisabeth Wulz
Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
Nikolsdorfergasse 18
A-1050 Wien
Atominstitut der Österreichischen Universitäten
Wien, 6. März 2001
φ Meilensteine der Teilchenphysik
= h/p Energie T ≅ t-1/2
Ab ca. 1900
Quantenmechanik,
10-10 m 10 eV > 3.105 a Atomphysik
Ca. 1940 … 1950
Quantenelektrodynamik
10-15 m MeV-GeV 3 min Ca. 1950 … 1965
Kerne, Hadronen, Symmetrien,
Feldtheorien
10-16 m >> GeV 10-6 s Ca. 1965 … 1975
Quarkmodell, Eichtheorien
10-18 m 100 GeV 10-10 s Ca. 1970 … 1983
Quantenchromodynamik,
elektroschwache Vereinigung -
- (UA1, UA2)
W/Z am SppS
φ Meilensteine der Teilchenphysik
LEP 1990
3 Familien
e
6 Leptonen Tevatron (CDF, D0) 1994
e Top-Quark
Superkamiokande et al. 1998
u c b Neutrino-Oszillationen
6 Quarks
d s t Tevatron (DONUT) 2000
-Neutrino
3 Farben / Quark R G B CERN 2000
Quark-Gluon-Plasma
CERN-LHC ab 2005
10-19 m 1 TeV 10-12 s Higgs, SUSY, …?
10-32 m 1016 GeV 10-32 s Grand Unification …?
10-35 m 1019 GeV 10-43 s Superunification, Quantengravitation,..?
φ Offene Fragen der Teilchenphysik
Ursprung und Hierarchie der Teilchenmassen
Gibt es ein Higgs-Teilchen und was ist seine Masse?
Wie muß das Standardmodell erweitert werden?
Supersymmetrie, Grand Unified Theories, …
Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen?
Gibt es mehr als drei leichte Generationen?
Gibt es schwere Neutrinos?
Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie
Stabilität des Protons
Woraus besteht die dunkle Materie des Kosmos?
Ursprung des quantenchromodynamischen Confinement
Quark-Gluon-Plasma
Wie kann die Gravitation eingebunden werden?
Beschleunigerkomplex des CERN in Genf
LHC/LEP
SPS
Livingston-Diagramm Die sukzessive Erhöhung der Strahlenergie beruht auf Fortschritten in der Beschleunigertechnologie. Supraleitende Magneten ermöglichen Proton- Proton-Kollisionen mit Schwerpunktsenergie s = 14 TeV am LHC.
Parameter des Large Hadron Collider
Proton- Proton
Umfang: 27 km
Teilchenpakete: 3564 + 3564
Protonen / Paket: 1011
Pakete Strahlenergie: 2 x 7 TeV
Luminosität: 1034 cm-2s-1
Strahlkreuzungsintervall: 25 ns
Kollisionsrate: 107 … 109 Hz
Flußdichte der Dipolmagneten: 8.4 T
Parton Anzahl der Dipolmagneten: ca. 1200
Schwerionen (Pb-Pb, S-S, etc.)
Strahlenergie:
bis zu 5.5 TeV/Nukleonenpaar
Luminosität:
1027 cm-2s-1 für Blei
3.1031 cm-2s-1 für Sauerstoff
Strahlkreuzungsintervall: 125 ns
Wirkungsquerschnitte
Wirkungsquerschnitte für
verschiedene Prozesse variieren
über viele Größenordnungen
• inelastisch: 109 Hz
•W lv: 100 Hz
-
• tt: 10 Hz
• Higgs (100 GeV): 0,1 Hz
• Higgs (600 GeV): 0,01 Hz
Erforderliche Selektivität
1 : 10 10 - 11
LHC-Beschleunigertechnologie String-Test für Dipolmagnete
LHC-Beschleunigertechnologie Supraleitende Hochfrequenzkavität
Zielsetzungen der LHC-Experimente
Standardmodell-Physik
QCD, elektroschwache Theorie (Higgs, W, Z, Top, Jets, …)
Supersymmetrie
SUSY-Higgsbosonen, andere supersymmetrische Teilchen, ...
Andere Erweiterungen des Standardmodells
Compositeness, Technicolor, Leptoquarks,
neue schwere Vektorbosonen, ...
B-Physik
CP-Verletzung, B0-B0 Oszillationen, seltene B-Zerfälle, ...
Schwerionenphysik
Quark-Gluon-Plasma
Physik bei kleinen Winkeln
total, elastische Streuung, Diffraktion
Neue PhänomeneExperimente am LHC
TOTEMExperimentelle Herausforderungen
Pile-up
100 mb, hohe Luminosität -> bis zu 25 p-p-Kollisionen
tot
pro Strahlkreuzung, 1000 geladene Teilchen in | | < 2.5
Konsequenzen für Detektoren:
Kleine Signalantwortzeiten (typisch 25 bis 50 ns)
Hohe Granularität (> 108 Kanäle)
Hohe Strahlungsfestigkeit (Fluß 1017 Neutronen/cm2,
Dosisleistung bis zu 107 Gy nach 10 Jahren Betrieb) in
Strahlnähe
QCD-Untergrund
Rate dominiert durch Jet-Produktion (qq -> qq, gg -> qq
etc.), daher i.a. in der Praxis nur Zerfälle mit Leptonen und
Photonen verwendbar. Ereignisrate daher klein.Wo ist das Higgs?
18 überlagerte p-p-Kollisionen im inneren Teil des CMS-Trackers, darunter
4 Müonspuren von einem HiggszerfallHier! Transversalimpulsschnitt von pT > 2 GeV nach Spurrekonstruktion
Neutronenfluß in CMS Neutronen pro cm2 für 5 x 10 pb-1
Dosisleistung in CMS Dosisleistung in Gy für 5 x 10 pb-1
Typischer Detektoraufbau
Schwere Materalien
(Eisen oder Kupfer + aktives Material)
Schwere Materalien
Müondetektoren
•Müonidentifikation
Materalien mit hoher Protonen- •Impulsmessung
zahl + aktives Material
Elektromagnetische und
hadronische Kalorimeter
•Teilchenidentifikation
(e, , Jets, fehlendes ET)
•Energiemessung
Zentraldetektor
•Spuren
•Impulsmessung
•Vektor zu elektromagnetischen Schauern
Leichte Materalien •VerticesMagnetkonfigurationen
Die Magnetkonfiguration bestimmt die Charakteristik eines
LHC-Experiments.
ATLAS
A Toroidal LHC Apparatus
CMS
Compact Muon SolenoidATLAS-Toroide Prototyp eines Barrel-Toroids (Spitzenflußdichte 3.9 Tesla)
CMS-Solenoid Größtes Solenoid der Welt 4 Tesla maximale Flußdichte 2.5 GJ gespeicherte Energie Modellmaschine zur Herstellung der Spule Magnetjoch
ATLAS-Detektor
CMS-Detektor
CMS-Detektor
Detektoren in ATLAS und CMS
ATLAS CMS
Magnete Toroide und zentrales Solenoid (2T) Solenoid (4T)
4 Magneten 1 Magnet
Spurendetektor Silizium (Pixel- und Streifengeometrie) Silizium (Pixel- und
"Transition Radiation"-Detektor zur Streifengeometrie)
Teilchenidentifikation
σ/pT ≈ 5 x 10-4 pT/GeV + 0.01 σ/pT ≈ 1.5 x 10-4 pT/GeV +
0.005
Em. Blei- Flüssigargon
Kalorimeter PbWO4-Kristalle
σ/E ≈ 10%/√E/GeV + 1% σ/E ≈ (2-5)%/√E/GeV + 0.5%
Hadronkalor. Eisen-Szintillator + Kupfer-Flüssigargon Kupfer-Szintillator + Fasern
σ/E ≈ 50%/√E/GeV + 3% σ/E ≈ 65%/√E/GeV + 5%
Müonsystem 3 Stationen 4 Stationen
Driftkammern + Driftkammern +
Kathodenstreifenkammern (Tracking) Kathodenstreifenkammern,
Resistive Plate Chambers + Resistive Plate Chambers
Thin Gap Chambers (Trigger) (Tracking + Trigger)Trigger und Datenakquisition
Standardmodell-Higgs Verzweigungsverhältnisse Breite
Higgs bei LEP?
2 b Kandidat
HZ Hypothese
mH=(114 GeV
3) GeV
e r ?
n hi Jet b-tag-
Wahrscheinl.:
h o
s c Z
ht 1 0.14
i c 2 0.01
elle H
V i 3 0.99
4 0.99
Kin. Massenfit
mH =112.4 GeV
mZ =93.3 GeV
ZZ-Hypothese
mZ=102 GeV
_ mZ=91.7 GeV
e+e - -> HZ -> bbjj ?Entdeckungsstrategie für das Standardmodell-Higgs Bei LHC ist das SM-Higgs im gesamten erwarteten Massenbereich vom derzeitigen LEP-Limit 115 GeV bis 1 TeV zugänglich. Je nach Masse benützt man verschiedene Zerfallskanäle: 80 GeV < mH < 140 GeV H -> , H -> bb 130 GeV < mH < 700 GeV H -> ZZ(*) -> 4 Leptonen ( ) 500 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ -> 2 + 2 Jets 500 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ -> 2 + 2 800 GeV < mH < 1000 GeV H -> WW-> + + Jets 800 GeV < mH < 1000 GeV H -> ZZ-> 2 + 2 Jets
H -> Elektromagnetisches Kalorimeter wurde auf diesen Kanal optimiert. mH/mH < 1%, Signal/Untergrund 1/20
H -> ZZ*, ZZ Nachweis beruht auf ausgezeichnetem Tracker, em. Kalorimeter und Müonsystem. mH 1 GeV für mH < 170 GeV
H -> 2 l + 2 Jets (oder 2 ν)
Nachweis erfolgt durch Leptonen, Jets
und fehlende Energie. Für letztere ist ein
gutes Hadronkalorimeter mit großem
Rapiditätsbereich wichtig.Standardmodell-Higgs in ATLAS Signifikanzen für 30 und 100 fb-1
Standardmodell-Higgs in CMS
CMS 5
Signifikanz für 100 fb-1 5 - KonturenSupersymmetrie
• Vielleicht sind die elektroschwache und die starke Kraft vereint.
In diesem Fall würden Leptonen und Quarks ineinander
übergehen können und das Proton wäre nicht stabil. Der
Massenwert, bei dem Vereinigung in einer entsprechenden
Theorie (“Grand Unifier Theory”, GUT) eintritt, muß groß genug
sein, so daß die Zerfallsrate des Protons mit dem experimentell
gemessenen Wert kompatibel ist.
• Die Kopplungskonstanten ”laufen" in Quantenfeldtheorien
aufgrund von Vakuumfluktuationen. Beispiel: In der
Quantenelektrodynamik ist die elektrische Ladung e durch
Fluktuationen von Photonen in e+e--Paare bis zu einer Distanz von
e ~ 1/me abgeschimt. Daher steigt mit steigender Masse: (0) =
1/137, (MZ) = 1/128.Supersymmetrie
70 70
α3
α
60 60 2
α
1
50 50
40 40
30 30
20 20
α
3
10 α2 10
α1
0 0
0 5 10 15 20
10
0 5
10
10
10
15
10 10 10 10 10 10
Um bei hohen Energien unnatürlich große Strahlungskorrekturen zur
Higgsmasse zu vermeiden und damit das so genannte Hierarchieproblem
zu vermeiden, fordert man zu jedem SM-Fermion einen
supersymmetrischen Boson-Partner und vice versa. Wenn die Masse des
SUSY-Partners in der Größenordnung ~ 1 TeV liegt, dann gilt die GUT-
Vereinigung bis zu 1016 GeV.SUSY-Higgssektor Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell gibt es 5 Higgsbosonen: h0, H0, A0 und H±. Die Suche nach ihnen erfolgt teilweise ähnlich wie im Standardmodell.
SUSY-Higgse in ATLAS
5 - KonturenSUSY-Higgse in CMS
Sparticles Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Ebenso kann ein charakteristischer Abfall im + -- Massen- spektrum aufgrund des Zerfalls 20 -> + - 10 auftreten.
Beispiel für Physik jenseits des Standardmodells
Compositeness in ATLASCP-Verletzung und B-Physik - Bis jetzt keine Präzisionsmessung der CP-Verletzung im Standardmodell. Es kann nicht ausgeschlossen werden daß CP- Verletzung teilweise durch neue Physik erklärt werden muß. - Die Kosmologie legt nahe, daß es zum Standardmodell eine zusätzliche Quelle von CP-Verletzung geben muß (Materie - Antimaterie-Asymmetrie). - CP-Verletzung wurde bislang nur in der Zerfallsamplitude von KL-Mesonen nachgewiesen. Im B-Meson-System stehen viel mehr Zerfallsmoden zur Verfügung. Für viele davon macht das Standardmodell genaue Vorhersagen, so daß Abweichungen detektiert werden könnten.
Exakte Symmetrie ist unnatürlich!
CKM-Matrix
Vud Vus Vub
VCKM =
( Vcd Vcs Vcb
Vtd Vts Vtb ) = VCKM(3) + VCKM
1- 2 i
VCKM(3) =
(
A 3
-
(1- -i )
1- 2/2
-A 2
A
1
2
)
Vij sind proportional zur Stärke der Kopplung von down-
artigen (d, s, b) und up-artigen Quarks (u, c, t) an W± .CKM-Unitaritätsdreiecke im B-System
VtdVtb∗ + VcdVcb∗ + VudVub∗ = 0 VtdVud∗ + VtsVus∗ + VtbVub∗ = 0
ρ
α Vub∗
Vub∗ Vtd Vtd
η
δγ
γ β γ′
Vcb Vts
arg Vcb = 0, arg Vub = − γ, arg Vtd = − β, arg Vts = π + δγMessung der CKM-Parameter
Beispiele:
+ Bd0 -> + -
Bd0 -> J/ KS
-2 Bs0 -> DS±K ±
Bs0 -> J/ - 0 *0
0 0 *0
Bd -> D K , D K , ...
Experimentelle Anforderungen:
Hohe Statistik für Bu,d,s-Zerfälle mit Verzweigungsverhältnissen < 10−7
Ausgezeichnete Zeitauflösung
Ausgezeichnete Teilchenidentifikation
Effizientes und flexibles Triggerschema, auch für Hadronen.
Hohe Statistik wird bei LHC leicht erreicht, da:
B-Produktionswirkungsquerschnitt bei 14 TeV: bb 500
500 bb
bb
LHC-Luminosität: cm
cm ss
Rate(bb)
Rate(bb)==10
105ss 1:: 0.5%
5 1
0.5%des
destotalen
totaleninelastischen
inelastischenQuerschnitts
QuerschnittsSpezialexperiment LHCb
Spezialexperiment LHCb
Schnitt transversal zum Magnetfeld
Müondetektor
HCAL
Abschirmung Magnet ECAL
RICH 2
Tracker
RICH 1
Vertexdetektor
1.9 < < 4.9
x/m
z/mLHCb-Detektor
Vertexdetektor:
Si r-φ Streifendetektor, einseitig, 150µm dick, Analogreadout
Tracking-System:
Außen: Driftkammer
Innen: Micro-Strip Gasdetektor oder Kathodenstreifenkammer
(Option: Siliziumdetektor)
RICH-Detektoren (Ring Imaging Cherenkov):
RICH-1: Aerogel (n = 1.03) C4F10 (n = 1.0014)
RICH-2: CF4 (n = 1.0005)
Photodetektor; Hybridphotodioden (Ersatz: Photoelektronenvervielfacher)
Kalorimeter:
Preshower-Detektor: Blei-Szintillatorschicht (14/10 mm)
Elektromagnetisches K.: Blei-Szintillator, 25X0, 10% Auflösung
Hadron: Tile-Kalorimeter, 7.3λ, 80% Auflösung
Müonsystem:
Multi-gap Resistive Plate Chamber und Cathode Pad ChamberLHCb-Ereignis im Vertexdetektor
Müon zum Triggern
Primärvertex
Auflösung: Zerfallsdistanz 120 µm, Zerfallszeit 0.4 psVergleich LHCb - ATLAS/CMS Kanäle LHCb ATLAS/CMS Bd → J/ψΚS 4 4 Bs → J/ψφ 4 4 Bs → DSK 4 8 (Teilchenid.) Bd → DK∗ 4 8(T.id.,Trigger) Bd → D*π 4 8 (Teilchenid.) Bd → ππ 4 8 (Teilchenid.) Bd → Kπ (CP in gluonischen Pinguingr.) 4 8 (Teilchenid.) Bd → ρπ 4 ? Bs → K∗γ (CP in radiativen Pinguingr.) 4 ? Bs → K∗l+l− (CP in radiativen Pinguingr.) 4 4 Bs-Oszillationen, maximales xs 75 38 Bs → µ+µ− 4 4
Schwerionenphysik Zweck ist Studium des Deconfinement. Das Quark-Gluon- Plasma (QGP) wurde ziemlich sicher schon bei Schwerionen- experimenten erzeugt. Die Energie reicht jedoch nur gerade aus. Bei LHC wird das QGP routinemäßig erzeugt werden. Bei der Kollision von Kernen werden u.a. charm- und bottomhältige Teilchen (J Y erzeugt. Bei Kollisionen von schweren Kernen entstehen jedoch weniger als bei Kollisionen von leichten Kernen. Strangeness-Erzeugung sollte erhöht sein. Am LHC ist das Spezialexperiment ALICE zum Studium des QGP vorgesehen. Es ist zur Zeit an der Stelle des LEP- Experiments L3 in Bau.
Schwerionenphysik
Pb-Pb-Kollision
im NA49-Experiment
des CERN
Die enorme Anzahl der Teilchen ist die größte experimentelle Herausforderung
der Schwerionenphysik. In den derzeitigen Experimenten werden im Mittel bei
Blei-Kollisionen 1500 Spuren erzeugt. Bei LHC wird diese Zahl 50 000 sein!
Teilchenidentifikation ist essentiell.Schwerionenexperiment ALICE
TOTEM TOTEM ist ein Spezialexperiment für die Messung des Gesamtwirkungsquerschnitts, von elastischer Streuung und diffraktiven Prozessen. Der Gesamtwirkungsquerschnitt wird luminositätsunabhängig bestimmt durch gleichzeitige Messung von elastischen Streuprozessen mit geringem Inpulstransfer und von inelastischen Wechselwirkungen. Mit dieser Methode ist auch eine absolute Kalibration der Beschleunigerluminosität möglich. Der Detektor besteht aus: - Teleskopen von "Roman Pots" symmetrisch auf beiden Seiten der Wechselwirkungsregion CMS. Sie dienen zur Messung von Protonen, die mit sehr kleinen Winkeln in elastischen oder quasi-elastischen Reaktionen gestreut werden. - einem Detektor zur Messung aller inelastischen Prozesse im Rapiditätsbereich 3 bis 7.
Österreichische Beiträge zu LHC-Experimenten ATLAS Universität Innsbruck: Simulationsstudien (B-Physik, …), Physikanalyse CMS Institut für Hochergiephysik der ÖAW: Globaler Triggerprozessor Regionaler + globaler Müontriggerprozessor Bau von Modulen und Steuerelektronik des Silizium- Trackers und Pixeldetektors Bau von Teilen des Alignment-Systems Software, Simulationsstudien (SUSY, …), Physikanalyse Neue Institute, Mitarbeiter, Studenten (Sommer, Diplomarbeiten, Dissertationen) willkommen!
Zusammenfassung Der LHC-Beschleuniger ist ein geeignetes Werkzeug für die Erforschung der Physik im TeV-Bereich. Zwei Mehrzweckexperimente sowie drei spezialisierte Experimente stehen zur Verfügung. Die ersten Daten werden mit Spannung erwartet!
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