Experimentelle Teilchenphysik - ZEUS - Universität Bonn
Experimentelle Teilchenphysik - ZEUS - Universität Bonn
Experimentelle Teilchenphysik - ZEUS - Universität Bonn
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<strong>Experimentelle</strong> <strong>Teilchenphysik</strong><br />
(Hochenergiephysik) in <strong>Bonn</strong><br />
Ian C. Brock<br />
Physikalisches Institut<br />
der Universität <strong>Bonn</strong><br />
Orientierungsvorlesung – <strong>Bonn</strong>, 18.01.2010
Erkennen was die Welt am<br />
Innersten zusammenhällt<br />
1. Physikalische Fragestellungen<br />
2. Experimente<br />
3. Arbeiten in der exp. <strong>Teilchenphysik</strong><br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 2
Die Bausteine der Materie<br />
Elementar-<br />
Teilchen<br />
Fermionen<br />
Spin 1/2<br />
Eich-<br />
Bosonen<br />
Spin 1<br />
Bausteine der Atome<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 3<br />
H<br />
Higgs-Boson<br />
Spin 0
Im Innersten: Kräfte<br />
geladene Teilchen<br />
nur Quarks<br />
Vereinheitlicht<br />
elektroschwache Kraft<br />
alle Teilchen<br />
alle Teilchen<br />
<br />
Austauschteilchen: “Bosonen” (Spin 1 oder 2), können “klumpen”<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 4
Masse der Elementarteilchen<br />
<br />
Proton<br />
<br />
<br />
Daumen-Regel: Proton<br />
wiegt 1 GeV, Elektron 1860<br />
mal weniger.<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 5
Das Rätsel der Masse<br />
Der Higgs-Mechanismus<br />
Peter Higgs (1964!)<br />
Ist Masse keine Eigenschaft<br />
der Teilchen, sondern nur<br />
das Ergebnis einer<br />
permanenten Kraft <br />
In ein paar Jahren werden wir es<br />
wissen!<br />
→ Large Hadron Collider LHC<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 6
Noch größere Fragen<br />
HERA<br />
am DESY<br />
Gibt es eine Urkraft <br />
Vielleicht bei 10 19 GeV (Planck-Skala):<br />
wir brauchen ein “Teleskop”: Präzision<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 7
Die unbekannten Teilchen:<br />
Dunkle Materie<br />
●<br />
Erste Anzeichen für dunkle<br />
Materie (Fritz Zwicky, 1933,<br />
Galaxiebewegung in Clustern)<br />
∗ Stabiles Teilchen<br />
∗ Elektrisch neutral<br />
∗ Sehr schwach wechselwirkend<br />
∗ Masse der dunklen Materie ca. 5<br />
mal größer als normale Masse<br />
Dunkle Energie<br />
Dunkle Materie<br />
Normale Materie<br />
(Atome)<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 8
Mögliche Lösungen:<br />
Supersymmetrie (SUSY)<br />
~<br />
~<br />
SUSY kann konzeptionelle<br />
Probleme lösen<br />
Brücke zur String-Theorie<br />
Bausteine der dunklen Materie<br />
zu schön LHC kann SUSY sehen<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 9
Erkennen was die Welt am<br />
Innersten zusammenhällt<br />
1. Physikalische Fragestellungen<br />
2. Experimente<br />
3. Arbeiten in der exp. <strong>Teilchenphysik</strong><br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 10
<strong>Experimentelle</strong> Ansatz<br />
Hohe (Schwerpunkts-)Energie<br />
Impuls = hc / Wellenlänge<br />
Energie, Scotty<br />
Kleine Strukturen werden nur mit großer Energie sichtbar<br />
Wie kann man neue schwere Teilchen erzeugen<br />
Energie = c 2 * Masse<br />
→HERA<br />
Schwere Teilchen können mit großer Energie erzeugt<br />
werden<br />
→Tevatron,LHC, ILC<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 11
●<br />
●<br />
Forschungsgruppen in der<br />
experimentellen Hochenergiephysik<br />
Prof. Ian C. Brock, Dr. Markus Cristinziani,<br />
Prof. Klaus Desch, Prof. Norbert Wermes,<br />
Nachfolge Büscher<br />
Prof. Marek Kowalski (Astroteilchenphysik)<br />
Projekte:<br />
– <strong>ZEUS</strong> an HERA (Brock)<br />
– ATLAS am LHC (Brock, Desch, Wermes)<br />
– ILC (Desch, Wermes)<br />
– IceCube (Kowalski)<br />
– Detektorentwicklung<br />
● Silizium (Brock,Cristinziani,Wermes)<br />
● Gas (Desch)<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 12
<strong>ZEUS</strong>-Experiment bei HERA (Brock)<br />
HERA<br />
<strong>ZEUS</strong><br />
●<br />
Untersuchung der inneren Struktur des Protons bei hohen<br />
Impulsüberträgen und/oder kleinen Impulsbruchteilen<br />
– Datennahme 2007 beendet<br />
– großer Datensatz („HERA II“) wartet darauf<br />
analysiert zu werden<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 13
<strong>ZEUS</strong>-Experiment bei HERA (Brock)<br />
Aktuelle Themen:<br />
• Beauty und Charm-<br />
Produktion bei HERA<br />
• Semileptonische<br />
Zerfälle b,c Quarks<br />
• Verwendung der<br />
Lebensaduer<br />
Information<br />
• Messung der<br />
Strukturfunktion F 2<br />
b<br />
18.01.10 22.01.2009<br />
Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 14
Der Large Hadron<br />
Collider LHC<br />
LHCb<br />
ATLAS<br />
CMS<br />
ALICE<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 15
Large Hadron Collider<br />
LHC<br />
∗ Umfang 27 km<br />
∗ Kollisionsenergie:<br />
0.9 → 7 → 10 → 14 TeV<br />
(entspricht bis zu 0,000002 Joule)<br />
∗ Gespeicherte Energie:<br />
700 MJ im Strahl<br />
Magnete: 10 GJ<br />
∗ Operationstemperatur 2 K<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 16
ATLAS-Experiment am LHC<br />
●<br />
●<br />
●<br />
Eines des komplexesten<br />
wissenschaftlichen Geräte der Welt<br />
Optimiert für die Entdeckung fundamental<br />
neuer physikalischer Phänomene (Higgs,<br />
Supersymmetrie, …)<br />
Präzise Messung des μ Impulses im Myon<br />
Detecktor unabhängig von der zentralen<br />
Spurkammer<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 17
ATLAS-Experiment am LHC<br />
Brock, Cristinziani, Desch, Wermes<br />
Länge: 44m<br />
Durchmesser: 22m<br />
Gewicht: 7000t<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 18
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 19
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock Sep 2008
2009 Collisions (900 GeV)<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 21
2009 Collisions (900 GeV)<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 22
<strong>Bonn</strong>er Aktivitäten in ATLAS<br />
● Detektor-Bau (Pixel-Detektor)<br />
● Inbetriebnahme des Detektors /<br />
Vorbereitung der Datenanalyse<br />
● Suche nach Higgs, Supersymmetrie<br />
● Präzises Studium des top-Quarks<br />
● Grid-Computing<br />
● Upgrade des Pixel-Detektors<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 23
●<br />
●<br />
●<br />
●<br />
Top-Quark-Physik mit ATLAS<br />
(Brock, Cristinziani, Wermes)<br />
tt-Produktionswirkungsquerschnitt<br />
single top Produktion, Suche nach FCNC<br />
top Masse mit alternativen Methoden<br />
b-tagging zur Verbesserung der Selektion<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 24
Suche nach dem Higgs-Boson mit ATLAS<br />
(Wermes)<br />
• Higgs-Suche in Vektorboson-Fusion<br />
• “Unsichtbare” Higgs-Zerfälle<br />
• Beispiel: Higgs-Suche in Vektorbosonfusion mit<br />
H→<br />
q<br />
q<br />
q<br />
q‘<br />
W + ,Z 0<br />
H<br />
q<br />
q<br />
q<br />
W - ,Z 0<br />
q‘<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 25
Ein Higgs-Ereignis mit ATLAS<br />
Simulation<br />
Zerfallsprodukte des Higgs-Bosons<br />
von Törne<br />
Jets in Vorwärts und Rückwärtsrichtung<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 26
Suche nach Supersymmetrie<br />
(Gruppe Desch)<br />
• Inklusive Suche nach<br />
“dunkler Materie”<br />
• SUSY in Tau-Lepton-<br />
Endzuständen<br />
• Polarisation von Tau<br />
• SUSY-Parameter-<br />
Messung<br />
Beispiel: simuliertes SUSY-Ereignis<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 27
Vorbereitungen für den ILC<br />
(Desch, Wermes)<br />
●<br />
●<br />
●<br />
●<br />
Planung/Vorbereitung eines e + e - Colliders, E cm<br />
=500-1000GeV<br />
Zukunftsprojekt<br />
Präzisionsinstrument um LHC Entdeckungen zu „verstehen“<br />
<strong>Bonn</strong>er Aktivitäten:<br />
– Detektorentwicklung (Time Projection Chamber, DEPFET-Pixels)<br />
– Physikpotential (enge Zusammenarbeit mit Theorie…)<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 28
Grid-Computing (Desch)<br />
●<br />
●<br />
Datenverarbeitung<br />
– Kollisionen am LHC alle<br />
25 Nanosekunden<br />
– 75 Kollisionen pro<br />
Sekunde werden „nur“<br />
gespeichert<br />
(~1 CD pro Sekunde)<br />
Auswertung<br />
– Weltweites Netzwerk<br />
aus Computerclustern<br />
→ das Grid<br />
Photo: Duc Bao Ta<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 29
●<br />
Detektorentwicklung: Pixels<br />
(Wermes, Brock, Cristinziani)<br />
SiLab: Halbleiter-Labor zur<br />
Entwicklung von Pixel-<br />
Detektoren und Mikroelektronik<br />
(Dr. H. Krüger / Dr. F. Hügging)<br />
• ATLAS-Pixeldetektor<br />
• ATLAS-Pixeldetektor-<br />
Upgrade<br />
• Vertexdetektor (DEPFET) für<br />
ILC und Super-Belle<br />
• Detektoren für Biomedizin<br />
• Detektoren für XFEL @<br />
DESY<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 30
Vom Layout zum fertigen Mikrochip<br />
Photo einer Chipoberfläche,<br />
Breite des Bildes ca 300 µm.<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 31
Detektorentwicklung für ILC<br />
(Gruppe Desch)<br />
Zeitprojektionskammer (TPC)<br />
Nachweis geladener Teilchen mit<br />
möglichst wenig Material<br />
→ gasgefüllte Detektoren<br />
Neue Gasverstärkungs- und<br />
Auslesekonzepte<br />
GEMs (Gas Electron Multiplier)<br />
Pixelierte Auslese<br />
(→ Mikroelektronik)<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 32
●<br />
●<br />
●<br />
●<br />
●<br />
Detektorentwicklung: Spurdetektoren<br />
für ILC (Desch)<br />
Bau einer Prototypkammer<br />
Testmessungen an ELSA<br />
Beitrag zu einem “Large<br />
Prototype” am DESY<br />
Charakterisierung von GEM<br />
Detektoren<br />
Timepix-Chip: 65000 Pixel auf<br />
1.4 x 1.4 cm 2 ,<br />
Spurgenauigkeit ~ 20 µm!<br />
14 mm<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 33
AG Astroteilchenphysik<br />
(Prof. Marek Kowalski,<br />
astroteilchenphysik.uni-bonn.de)<br />
IceCube: ein Kubikkilometer großer<br />
Neutrinodetektor am Südpol<br />
Enge Zusammenarbeit mit der<br />
<strong>Teilchenphysik</strong>, d.h. Bearbeitung von:<br />
- astronomische Fragestellung mit<br />
Methoden der <strong>Teilchenphysik</strong><br />
- teilchenphysikalische<br />
Fragestellung mit Methoden der<br />
Astronomie<br />
Schwerpunkte der Arbeitsgruppe:<br />
- Suche nach astrophysikalischen<br />
Neutrinos mit IceCube am Südpol.<br />
- Untersuchungen der Dunklen<br />
Energie mit Supernovae.<br />
33
Erkennen was die Welt am<br />
Innersten zusammenhällt<br />
1. Physikalische Fragestellungen<br />
2. Experimente<br />
3. Arbeiten in der exp. <strong>Teilchenphysik</strong><br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 35
●<br />
●<br />
●<br />
●<br />
●<br />
Teamwork!!!<br />
Umfeld<br />
wichtige Rolle von Studenten (Ausbildung & Forschungsbeitrag)<br />
Internationale Zusammenarbeit (CERN, DESY)<br />
Vielfältige Arbeitsbereiche:<br />
– Datenanalyse (Interesse an fundamentalen<br />
physikalischen Fragen, Simulation, Algorithmen,<br />
Optimierungsprobleme, Theorie Nähe, …)<br />
– Detektorentwicklung (Anfassen!, Prototypen selbst bauen,<br />
Teststrahlmessungen (ELSA, DESY, CERN,…),<br />
Elektronik, Chip-Design, HighTech, Simulation)<br />
– Computing (Grid, Aufbau, Betrieb von Cluster mit >200<br />
Knoten)<br />
Möglichkeit im Rahmen der Bachelor/Master/Dr.-Arbeit<br />
Erfahrung in verschiedenen Bereichen zu sammeln →<br />
vielseitige Forscher<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 36
Bachelorarbeitsthemen<br />
● Vorwissen: Physik 5 (Kern- und Teilchen)<br />
● Bachelorarbeit: Nach der Vorlesung Physik 5<br />
– Empfohlen: In den Frühjahrssemesterferien oder<br />
später<br />
– Nicht zu viele sonstige Kurse/Aktivitäten<br />
● Auswahl aus der ganzen Bandbreite der exp.<br />
<strong>Teilchenphysik</strong><br />
– Siehe Aushänge bzw. Webseiten der<br />
Arbeitsgruppen, oder Profs kontaktieren<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 37
Empfehlungen zum Studium mit<br />
Schwerpunkt <strong>Teilchenphysik</strong><br />
Bachelor<br />
● Physik 5: Kern- und <strong>Teilchenphysik</strong><br />
● Wahlpflichtmodul: „Physics of Particle<br />
Detectors“ (physics618) im 5. Semester,<br />
parallel zur Kern u. Teilchenvorlesung)<br />
● Proseminar Präsentationstechnik zum Thema<br />
<strong>Teilchenphysik</strong> (4. oder 5. Semester)<br />
● Prüfung Exp-Physik mit Thema Physik-5 + ein<br />
weiteres nach Gusto<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 38
Empfehlungen zum Studium mit<br />
Schwerpunkt <strong>Teilchenphysik</strong><br />
Master<br />
● Specialisation-I: Particle Physics (physics611)<br />
● Specialisation-II:<br />
●<br />
– High Energy Collider Physics (physics 633)<br />
– Advanced Topics in HEP (physics 639)<br />
Advanced Elective Lectures<br />
– High Energy Physics Lab (physics717): Research<br />
internships (auch in Semester Ferien möglich)<br />
– Detektororientiert: physics712<br />
– Analyseorientiert: physics716<br />
– Teilchastrophysik: physics711<br />
– Plus weitere nach Gusto<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 39
Zum Schluss: Was erwartet uns wirklich<br />
am LHC <br />
Claus Grupen, Siegen<br />
18.01.10 Exp. <strong>Teilchenphysik</strong> in <strong>Bonn</strong> - I.C. Brock 40<br />
22.02.2007 Eckhard von Toerne, Vortrag Volkssternwarte <strong>Bonn</strong>
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