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Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik
K.Hoepfner, T.Hebbeker, S.Roth, O.Pooth, D.Lanske
RWTH Aachen, Seminar SS 2004
Proton-Proton Kollisionen bei höchsten Energien
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 2
Organisation
Seminartermin: waehrend des Semsters, Dienstag um 8:30 (oder Montag 8:30), Physikzentrum Raum 26C201
Ablauf: - Vortrag ca. 45 min + 15 min Diskussion - Ausarbeitung (ca.10 Seiten) innerhalb von 3 Wochen nach dem Vortrag abzugeben - Alle Beteiligten kommen zu allen Vortraegen.
Thema bitte frühzeitig auswählen (siehe Themenliste). Betreuer wird bekannt gegeben.
Themen, Betreuer u.a. Informationen auf
http://www.physik.rwth-aachen.de/~hoepfner/Teaching/seminar_SS04.html
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 3
Themenübersicht
1. Das Standardmodell der Teilchenphysik
2. Beschleuniger
3. Die Tevatron Proton-Antiproton Experimente
4. Die LHC Proton-Proton Experimente
5. Quantum Chromodynamik
6. Physik der elektroschwachen W und Z Bosonen
7. Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs-Suche
8. Ist die Welt super symmetrisch?
9. beauty-Physik
10. B-Oszillationen
11. Entdeckung des top-Quark am Tevatron
12. Nächste Generation top-Physik
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 4
En
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klu
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des
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sum
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CERN
Moderne pp-Kollider untersuchen Universum ~10-10 s nach dem Urknall
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 5
Beiträge der RWTH Aachen
CMS Detektor am LHC
Außerdem
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Die einzelnen Themen
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 7
Das Standardmodell der Teilchenphysik
Fundamentale Teilchen Spin-1/2 Fermionen:
Teilchen Ladung Masse Teilchen Ladung Masse
Elektron 1 0.5 10-3 GeV e0 < 2.05 10-9 GeV
Muon 1 0.1056 GeV 0 < 1.17 10-5 GeV
Tau 1 1.777 GeV 0 < 0.018 GeV
u-quark 2/3 1.5-4.5 10-3 GeV d-quark -1/3 5-8.5 10-3 GeV
c-quark 2/3 1-1.4 GeV s-quark -1/3 80-155 10-3 GeV
t-quark 2/3 174 +- 5 GeV b-quark -1/3 4-4.5 GeV Qua
rks
L
epto
ns
Die meisten experimentellen Daten korrekt beschrieben.
Wechselwirkungen Spin-1 Bosonen:
Elektromagnetisch Photon g masselos
Schwach Z-Boson Z0 91 GeV
Schwach W-Boson W+, W- 80 GeV
Stark Gluon g masselos
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 8
Beschleuniger
Injektion
p
p
LHC Dipol
LHC
TeVpp
TeVpp
14LHC
2Tevatron(main ring)
Tevatron Upgrade
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 9
Die Tevatron pp-Experimente
Tevatron = TeV Beschleuniger
z.Zt. größter Beschleuniger
TeVpp 2CDF
-
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 10
Die LHC pp-Experimente
9 km
TeVs 14Proton-Proton
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 11
Quantum Chromo Dynamik (QCD)
LHC ist QCD !
Erste LHC Ergebnisse = QCD. Großer Wirkungsquerschnitt erlaubt Studien mit wenig Daten.
Quantum Chromo Dynamik: Eichtheorie, Quarks mit 3 Farben (r,g,b) und 8 Gluonen (Farbe + Antifarbe)
Starke Kraft (hält Atomkerne zusammen)
Baryonen: Proton (uud), Neutron (udd) Mesonen; Pion (ud)
Kopplungskonstante s
-
Struktur des Protons
Fragmentation im Detektor Jets
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 12
Elektroschwache W und Z Bosonen
1983 Austauschbosonen der schwachen Kraft (W,Z) entdeckt am SPS. Nobelpreis 1984
Genaue Messung der Eigenschaften am LEP
Z.Zt. Messungen bei höchsten Energien am Tevatron
Entdeckung am SPS
Heute am Tevatron
We
ZW/Z ist eine Standardkerze für „high pT“ Physik
Ideal für Kalibration und Präzision
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Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs Suche
Idee: Higgs Mechanismus
Aber: Masse des Higgs Teilchens nur experimentell bestimmbar
Experimentell gemessene Massen fundamentaler Teilchen: ~10-3 eV ..... 1011 eV
Problem: Massenerzeugung unklar
Aufregung bei LEP
!
LHC kennt die Antwort
114 GeV < mH < 1000 GeV
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 14
Ist die Welt super-symmetrisch?
W.d
e B
oe
r a
t a
l.
TeV Massenskala: neue Teilchen symmetrisch zu bekannten aber schwerer
Am LHC sichtbar durch signifikante Zerfallssignatur
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 15
beauty-Physik
Sehr kurzlebige Teilchen Nachweis Zerfallsvertex erfordert hohe Auflösung
D0 Silizium Vertex Detektor
Messung B-Lebensdauer in D0 = 1.76 0.24 (stat) ps
Teilchen Meßwert
B+ Masse 5280.6 ± 1.7 ± 1.1 [MeV/c2]
B0 5279.8 ± 1.9 ± 1.4 [MeV/c2]
BsLebensdauer 1.26 ± 0.20 (stat) ± 0.02 (syst) ps
Zerfall Verzweigungsverhältnis
D0 ≤2.4 x 10-6 @ 90% C.L.
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 16
B-Oszillationen Bs und Bs Überlagerungen von 2 Eigenzuständen (BH, BL), ählich wie bei
Kaonen aber stärkere Oszillation.
-
s
b
b
s
t
t
WW0sB 0
sB
Oszillationsfrequenz
LHs mmmf
1
1
25...20
1.13
psm
psm
s
s LEP + Tevatron
Oszillationen sehr schnell gute Zeitauflösung. Bisher noch nicht gesehen.
Nur an hadronischen Beschleunigern möglich
Guter Platz für neue Physik, z.B. neue Teilchen in Schleifen
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 17
Entdeckung des top-Quark
Erst 02.03.1995 entdeckt (Tevatron).
Schwerer als erwartet.
mtop~180 GeV. Warum
CDF Detektor
?!top nicht sichtbar, zerfällt sofort
Experimentelle Herausforderung
Phys.Rev.Lett.73 (1994) 225.
CDF Detektor
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KH 04.02.2004 Moderne Methoden der Teilchen- und Astroteilchenphysik 18
Nächste Generation Top-Physik
Wichtige Fragen: Top einzigstes Elementarteilchen schwerer als
W,Z Test elektroschwache Kraft! Neue Physik?
Top Masse: Unterschiedliche Massen gemessen 172 GeV und 180 GeV. Einfluß auf Higgs Vorhersage!
Studium der Eigenschaften des top-Quarks
ℓ
Produktion und Zerfall Experimenteller Nachweis erfordert b-tagging!
e
DØ
Aber auch Untergrund mit ähnlicher Signatur.
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Das Ende