PDF Vortrag - Physikzentrum der RWTH Aachen
PDF Vortrag - Physikzentrum der RWTH Aachen
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<strong>RWTH</strong> <strong>Aachen</strong>, Seminar SS 2004<br />
Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik<br />
Proton-Proton Kollisionen<br />
bei höchsten Energien<br />
K.Hoepfner, T.Hebbeker,<br />
S.Roth, O.Pooth, D.Lanske
Organisation<br />
• Seminartermin: waehrend des Semsters, Dienstag um 8:30 (o<strong>der</strong> Montag<br />
8:30), <strong>Physikzentrum</strong> Raum 26C201<br />
• Ablauf:<br />
- <strong>Vortrag</strong> ca. 45 min + 15 min Diskussion<br />
- Ausarbeitung (ca.10 Seiten) innerhalb von 3 Wochen nach dem <strong>Vortrag</strong><br />
abzugeben<br />
- Alle Beteiligten kommen zu allen Vortraegen.<br />
• Thema bitte frühzeitig auswählen (siehe Themenliste). Betreuer wird bekannt<br />
gegeben.<br />
• Themen, Betreuer u.a. Informationen auf<br />
http://www.physik.rwth-aachen.de/~hoepfner/Teaching/seminar_SS04.html<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 2
Themenübersicht<br />
1. Das Standardmodell <strong>der</strong> Teilchenphysik<br />
2. Beschleuniger<br />
3. Die Tevatron Proton-Antiproton Experimente<br />
4. Die LHC Proton-Proton Experimente<br />
5. Quantum Chromodynamik<br />
6. Physik <strong>der</strong> elektroschwachen W und Z Bosonen<br />
7. Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs-Suche<br />
8. Ist die Welt super symmetrisch?<br />
9. beauty-Physik<br />
10. B-Oszillationen<br />
11. Entdeckung des top-Quark am Tevatron<br />
12. Nächste Generation top-Physik<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 3
Entwicklung des Universums<br />
CERN<br />
Mo<strong>der</strong>ne pp-Kolli<strong>der</strong><br />
untersuchen<br />
Universum ~10 -10 s<br />
nach dem Urknall<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 4
Beiträge <strong>der</strong> <strong>RWTH</strong> <strong>Aachen</strong><br />
CMS Detektor<br />
am LHC<br />
Außerdem<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 5
Die einzelnen Themen
Das Standardmodell <strong>der</strong> Teilchenphysik<br />
Fundamentale Teilchen Spin-1/2 Fermionen:<br />
Teilchen<br />
Ladung<br />
Masse<br />
Teilchen<br />
Ladung<br />
Masse<br />
Elektron<br />
1<br />
0.5 10 -3 GeV<br />
ν e<br />
0<br />
< 2.05 10 -9 GeV<br />
Muon<br />
Tau<br />
u-quark<br />
c-quark<br />
t-quark<br />
1<br />
1<br />
2/3<br />
2/3<br />
2/3<br />
0.1056 GeV<br />
1.777 GeV<br />
1.5-4.5 10 -3 GeV<br />
1-1.4 GeV<br />
174 +- 5 GeV<br />
ν µ<br />
ν τ<br />
d-quark<br />
s-quark<br />
b-quark<br />
0<br />
0<br />
-1/3<br />
-1/3<br />
-1/3<br />
< 1.17 10 -5 GeV<br />
< 0.018 GeV<br />
5-8.5 10 -3 GeV<br />
80-155 10 -3 GeV<br />
4-4.5 GeV<br />
Quarks Leptons<br />
Wechselwirkungen Spin-1 Bosonen:<br />
Elektromagnetisch<br />
Schwach<br />
Photon<br />
Z-Boson<br />
g<br />
Z 0<br />
masselos<br />
91 GeV<br />
Die meisten<br />
experimentellen<br />
Daten korrekt<br />
beschrieben.<br />
Schwach<br />
W-Boson<br />
W + , W -<br />
80 GeV<br />
Stark<br />
Gluon<br />
g<br />
masselos<br />
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Beschleuniger<br />
Tevatron<br />
LHC pp<br />
p<br />
pp 2TeV<br />
14TeV<br />
(main ring)<br />
Tevatron<br />
Upgrade<br />
Injektion<br />
LHC Dipol<br />
p<br />
LHC<br />
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-<br />
Die Tevatron pp-Experimente<br />
Tevatron = TeV Beschleuniger<br />
z.Zt. größter Beschleuniger<br />
pp<br />
2<br />
TeV<br />
CDF<br />
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Die LHC pp-Experimente<br />
Proton-Proton<br />
s = 14TeV<br />
9 km<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 10
Quantum Chromo Dynamik (QCD)<br />
Quantum Chromo Dynamik: Eichtheorie, Quarks mit 3 Farben (r,g,b)<br />
und 8 Gluonen (Farbe + Antifarbe)<br />
Starke Kraft (hält Atomkerne zusammen)<br />
Baryonen: Proton (uud), Neutron (udd)<br />
Mesonen; Pion (ud)<br />
-<br />
à Kopplungskonstante a s<br />
Fragmentation im Detektorà Jets<br />
LHC ist QCD !<br />
Erste LHC Ergebnisse = QCD.<br />
Großer Wirkungsquerschnitt<br />
erlaubt Studien mit wenig Daten.<br />
Struktur des<br />
Protons<br />
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Elektroschwache W und Z Bosonen<br />
1983 Austauschbosonen <strong>der</strong> schwachen Kraft<br />
(W,Z) entdeckt am SPS. Nobelpreis 1984<br />
Wàeν<br />
Genaue Messung <strong>der</strong> Eigenschaften am LEP<br />
Z.Zt. Messungen bei höchsten Energien am Tevatron<br />
Entdeckung<br />
am SPS<br />
Heute am<br />
Tevatron<br />
W/Z ist eine<br />
Standardkerze<br />
für „high p T “<br />
Physik<br />
Ideal für<br />
Kalibration und<br />
Präzision<br />
Z൵<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 12
Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs Suche<br />
Experimentell gemessene Massen<br />
fundamentaler Teilchen:<br />
~10 -3 eV ..... 10 11 eV<br />
Aufregung bei LEP<br />
Problem: Massenerzeugung unklar<br />
Idee: Higgs Mechanismus<br />
Aber: Masse des Higgs<br />
Teilchens nur<br />
experimentell<br />
bestimmbar<br />
!<br />
LHC kennt die Antwort<br />
114 GeV < m H < 1000 GeV<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 13
Ist die Welt super-symmetrisch?<br />
W.de Boer at al.<br />
Am LHC<br />
sichtbar durch<br />
signifikante<br />
Zerfallssignatur<br />
TeV Massenskala:<br />
neue Teilchen symmetrisch<br />
zu bekannten aber<br />
schwerer<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 14
eauty-Physik<br />
Sehr kurzlebige Teilchen à Nachweis<br />
Zerfallsvertex erfor<strong>der</strong>t hohe Auflösung<br />
Teilchen<br />
B +<br />
Zerfall<br />
D 0 ൠµ<br />
D0 Silizium Vertex Detektor<br />
Meßwert<br />
Masse<br />
5280.6 ± 1.7 ± 1.1 [MeV/c 2 ]<br />
B 0 5279.8 ± 1.9 ± 1.4 [MeV/c 2 ]<br />
B s Lebensdauer<br />
1.26 ± 0.20 (stat) ± 0.02 (syst) ps<br />
Verzweigungsverhältnis<br />
=2.4 x 10 -6 @ 90% C.L.<br />
Messung B-Lebensdauer in D0<br />
t = 1.76 – 0.24 (stat) ps<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 15
B-Oszillationen<br />
-<br />
• B s und B s Überlagerungen von 2 Eigenzuständen (B H , B L ), ählich wie bei<br />
Kaonen aber stärkere Oszillation.<br />
0<br />
s<br />
b<br />
s<br />
t<br />
B W W<br />
0<br />
t<br />
Oszillationsfrequenz<br />
f<br />
∆m<br />
∆m<br />
≈ ∆m<br />
s<br />
s<br />
s<br />
=<br />
≥ 13.1<br />
≤<br />
m<br />
H<br />
ps<br />
−1<br />
−<br />
20...25ps<br />
m<br />
−1<br />
L<br />
LEP + Tevatron<br />
s<br />
b<br />
B s<br />
Nur an hadronischen Beschleunigern möglich<br />
Oszillationen sehr schnell<br />
à gute Zeitauflösung. Bisher<br />
noch nicht gesehen.<br />
Guter Platz für neue Physik, z.B. neue Teilchen in Schleifen<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 16
Entdeckung des top-Quark<br />
Erst 02.03.1995 entdeckt (Tevatron).<br />
Schwerer als erwartet.<br />
m top<br />
~180 GeV. Warum<br />
?!<br />
CDF Detektor<br />
top nicht sichtbar,<br />
zerfällt sofort<br />
Experimentelle<br />
Herausfor<strong>der</strong>ung<br />
CDF Detektor<br />
Phys.Rev.Lett.73 (1994) 225.<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 17
Nächste Generation Top-Physik<br />
Produktion und Zerfall<br />
Experimenteller<br />
Nachweis erfor<strong>der</strong>t<br />
b-tagging!<br />
l<br />
DØ<br />
µ<br />
Aber auch Untergrund<br />
mit ähnlicher Signatur.<br />
Wichtige Fragen:<br />
• Top einzigstes Elementarteilchen schwerer als<br />
W,Z à Test elektroschwache Kraft! Neue<br />
Physik?<br />
• Top Masse: Unterschiedliche Massen<br />
gemessen 172 GeV und 180 GeV. Einfluß auf<br />
Higgs Vorhersage!<br />
• Studium <strong>der</strong> Eigenschaften des top-Quarks<br />
e<br />
KH 04.02.2004 Mo<strong>der</strong>ne Methoden <strong>der</strong> Teilchen- und Astroteilchenphysik 18
Das Ende
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