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Large Hadron Collider
Das LHC-ExperimentDas LHC-Experiment
Markus Kern
HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik
WS 2008/09
Large Hadron Collider
InhaltInhalt
• Ein kurzer Überblick über den LHC
• Die Physik am LHC– Die Suche nach dem Higgsboson– Supersymmetrie
• Der CMS-Detektor im Detail
Large Hadron Collider
Der Large Hadron ColliderDer Large Hadron Collider
Large Hadron Collider
Der LHC im ÜberblickDer LHC im Überblick
• 27 km Umfang• 100 m unter der Erde• 7 TeV pro Protonenstrahl• Beschleunigung der p auf
99,9999991% von c• LHCb: Untersuchung der
CP Verletzung in B- Mesonensystemen
• ALICE: Erzeugung und Untersuchung eines Quark-Gluonen-Plasmas
Large Hadron Collider
BeschleunigerrohrBeschleunigerrohr
• 15 m Länge• 35 t Gewicht• über 1000 Stück• Nb-Ti-Legierung
supraleitend unter 10K• Magnetfeld von 8,33 T
bei 1,9 K • 11 700 A notwendig
zum Aufbau des Magnetfelds
Large Hadron Collider
Stillstand des LHCStillstand des LHC
• Magnettest Sektor 3-4• Defekte elektrische
Verbindung • Lokale Erwärmung• Supraleitung geht
verloren• Schäden an Kabeln,
Rohren und Magneten• Heliumaustritt• Wiederinbetriebnahme
voraussichtlich Juli 2009
Large Hadron Collider
Das StandardmodellDas Standardmodell
• Das Standardmodell ist eine Eichtheorie, die auf der Eichgruppe SU(3)Cx SU(2)W x U(1)Y beruht.
• Eichprinzip: Die Invarianz einer Gleichung, unter lokalen (ortsabhängigen) Phasentransformationen, erfordert die Existenz eines Vektorfeldes, das mittransformiert wird.
• Bsp: Lokale Transformationen bzgl. SU(3)C führen zur Existenz der Gluonenfelder.
• Eichprinzip setzt masselose Teilchen voraus.• Experimente zeigen W‘s und Z haben Masse.• Higgsmechanismus rettet Eichprinzip durch Einführung
des Higgsfelds und des Higgsbosons.
Large Hadron Collider
HiggsproduktionHiggsproduktion
Large Hadron Collider
WirkungsquerschnitteWirkungsquerschnitte
Large Hadron Collider
HiggszerfallHiggszerfall
Large Hadron Collider
Higgszerfall IIHiggszerfall II
Large Hadron Collider
Probleme des StandardmodellsProbleme des Standardmodells
• Das Eichproblem: Warum gibt es 3 unabhängige Eichgruppen? Ist nur eine Eichgruppe möglich?
• Das Parameterproblem: Es gibt mindestens 18 freie Parameter im SM. Können sie reduziert werden?
• Das Ladungsproblem: Warum sind die el. Ladungen von Elektron und Proton genau entgegengesetzt?
• Das Hierarchieproblem: Warum ist die schwache Skala so klein verglichen mit der GUT-Skala?
• Das Fine-Tuning-Problem: Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse sind viele Größenordnungen größer als die Masse selbst, daher müssen die Parameter des Higgspotentials unnatürlich fine-getunt werden.
Large Hadron Collider
SupersymmetrieSupersymmetrie
• Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen• SUSY Partner von Fermionen erhalten ein
vorangestelltes „s“ • Bei Bosonen ersetzt man die Endung „on“ durch
„ino“ oder hängt ein „ino“ an• Perfekte Symmetrie erfordert identische Particle-
und Sparticlemassen• Bisher keine Sparticles gefunden
SUSY ist eine gebrochene Symmetrie
Large Hadron Collider
Lösung des EichproblemsLösung des Eichproblems
• Supersymmetrisches Modell erlaubt die Vereinigung der WW bei hohen Energien
• Im SM nicht möglich, da kein gemeinsamer Schnittpunkt vorhanden
Large Hadron Collider
Lösung des Fine-Tuning-ProblemsLösung des Fine-Tuning-Problems
• Strahlungskorrekturen enthalten nun auch Superpartner, diese unterscheiden sich nur durch das Vorzeichen
Korrekturen heben sich gegenseitig auf
Large Hadron Collider
MSSMMSSM• Das MSSM ist die kleinstmögliche Erweiterung des SM
zu einem supersymmetrischen Modell• Existenz einer neuen multiplikativen Quantenzahl
„R-Parität“, Erhaltungsgröße im MSSM
• SM-Teilchen: R=+1 SUSY-Teilchen: R=-1• Konsequenzen:
– Das LSP ist stabil und damit ein Kandidat für dunkle Materie– Sparticles können nur paarweise erzeugt werden– Jedes schwerere Sparticle zerfällt in eine ungerade Anzahl von
LSPs
S2LB31R
Large Hadron Collider
Nachweis eines SUSY EreignissesNachweis eines SUSY Ereignisses
• Zerfallskette der Sparticles endet mit den LSPs, die mit dem leichtesten Neutralino identifiziert werden
• Ohne WW mit normaler Materie können LSPs aus dem Detektor entkommen
• Nachweismöglichkeit durch fehlende Energie
Large Hadron Collider
Der CMS-DetektorDer CMS-Detektor
Large Hadron Collider
Teilchenspuren im DetektorTeilchenspuren im Detektor
Large Hadron Collider
PixeldetektorPixeldetektor
• 65 Millionen Pixel• 3 zylindrische Schichten mit 4cm, 7cm und 10cm
Abstand zum Teilchenstrahl• Teilchen erzeugen beim Durchfliegen
Elektronen-Loch-Paare elektrische Signale
Large Hadron Collider
StreifendetektorStreifendetektor
• 10 Lagen Siliziumstreifendetektoren
• Fläche über 200m2
• Unterschiedliche Ausrichtung der Streifen erlaubt 3D Rekonstruktion der Teilchenspur
Large Hadron Collider
Karlsruher BeteiligungKarlsruher Beteiligung
• 8000 Sensoren wurden mit 2 selbstentwickelten automatischen Probestationen überprüft
• Über 100 Petals wurden gebaut
• Jedes Petal enthält
ca. 20 Module mit
ca. 16000 Streifen
Large Hadron Collider
ECALECAL
• Szintillationskalorimeter• Besteht aus fast 80 000 PbWO4 Kristallen.• Kurze Strahlungslänge: X0=0,89cm• Schnelle Reaktionszeit: 80% des Lichts werden in 25ns
emittiert• Geringe Lichtausbeute: 30γ/MeV
Large Hadron Collider
HCALHCAL
• Die Absorber bestehen aus Messingplatten• Hohe Dicke des Absorbers notwendig, da Hadronen ihre
Energie hauptsächlich durch starke WW mit den Kernen verlieren
• Die Detektoren sind Plastikszintillatoren bzw. Quarzfasern
• Schauerbildung komplizierter als im ECAL, da verschiedenste Sekundärteilchen entstehen können
Large Hadron Collider
SolenoidSolenoid
Der CMS Magnet– ist der größte supraleitende Magnet, der je gebaut wurde– wiegt 12 000 Tonnen– ist 100 000 mal stärker als das Erdmagnetfeld– hat genug Energie um 18 Tonnen Gold zu schmelzen
Large Hadron Collider
Der MyonendetektorDer Myonendetektor
• Verschiedene mit Gas gefüllte Driftkammern angepasst an die Myonenrate
• Durchgehende Myonen ionisieren das Gas• Elektronen driften zu positiv geladenen Drähten• Ort des Durchgangs lässt sich durch Messung der
Driftzeit berechnen
Large Hadron Collider
QuellenverzeichnisQuellenverzeichnisPeter Schmüser: Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker. Berlin,
Heidelberg 1995.Rabindra N. Mohapatra: Unification and Supersymmetry. The Frontiers of Quark-Lepton
Physics. New York, Berlin, Heidelberg 2003.David Griffiths: Introduction to Elementary Particles. Weinheim 2008.W. de Boer, A. Sopczak, S. Kappler: Experimentelle Teilchenphysik. Karlsruhe 1999.W. de Boer: Grand Unified Theories and Supersymmetry in Particle Physics and
Cosmology. hep-ph/9402266.Stephen P. Martin: A Supersymmetry Primer. hep-ph/9709356.Gianfranco Bertone, Dan Hooper, Joseph Silk: Particle dark matter: evidence, candidates
and constraints. In: Physics Reports 405 (2005) 279–390.Gunnar Klämke: Higgs plus 2 Jet Produktion in Gluonfusion. Karlsruhe 2008.D. Acosta, A. De Roeck, U. Gasparini u. a.: CMS Physics, Technical Design Report,
Volume I: Detector Performance and Software. CERN 2006.A. De Roeck, M. Grünwald, J. Mnich u. a.: CMS Physics, Technical Design Report,
Volume II: Physics Performance. CERN 2006.http://public.web.cern.ch/public/http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/index.html
Large Hadron Collider
Quellenverzeichnis IIQuellenverzeichnis IIDie Zahlen in eckigen Klammern geben die Foliennummer an.[3] http://media.arstechnica.com/news.media/LHC.jpg[4] http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/history/historypictures/LHC-
drawing-half.jpg[5] http://mediaarchive.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/1999
/9906025/9906025_01/9906025_01-A5-at-72-dpi.jpg[6] http://static.guim.co.uk/Guardian/news/gallery/2007/aug/06/internationalnews/0606
026_01-179.jpg[8] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_prod_graphs_new.jpg[9] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_prod_xs.jpg[10]http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_bratio.jpg[11]oben links http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/
Website/Physics/Higgs/100GeV.jpgunten links https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr2-figs/images/Figure_%20CP-001.jpgoben rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/Higgs/150GeV_1.jpgunten rechts https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr2-figs/images/Figure_%20CP-003.jpg
[14] http://www.physik.uzh.ch/~kmueller/text/vorlesung/susy/img34.gif[15] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/68/Hqmc-vector.svg/300px-
Hqmc-vector.svg.png
Large Hadron Collider
Quellenverzeichnis IIIQuellenverzeichnis III[17] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/
SUSY/Susy_2.jpg[18] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/af/CMScollaborationPoster.png[19]
http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Media/Videos/Animations/files/CMS_Slice.gif
[20] links http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/siliziumdetektor.jpgrechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/
Resources/Website/Detector/Tracker/Pixelement.gif[21] links
http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Detector/Tracker/Barrel.gifrechts https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr1-figs/Figures/Figure_001-009.jpg
[22] oben http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/silizium_sensor.jpgunten http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/petalproduktion3.jpg
[23] links http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~jwagner/SS08/talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 31rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Media/Images/Gallery/ECAL/EB/HighRes/oreach-2001-001.jpg
[24] http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~jwagner/SS08/talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 32[25]
http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Detector/Magnet/0509015_14-A4-at-144-dpi_thumb.jpg
[26] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Detector/Muons/DT.gif