CMS-Experiment

1. Hauptseminar „Der Urknall und seine Teilchen“ CMS-Experiment Benjamin Richter 14.12.2007

2. CMS-Experiment • Large Hadron Collider • Experimente am LHC • Ziele der Experimente • Higgs-Teilchen • Supersymmetrie • Quark-Gluon-Plasma • CP-Verletzungen mit B-Mesonen • CMS-Experiment • Aufbau, Daten, Fakten • Mögliche Versuchsergebnisse • Detektortypen

3. Large Hadron Collider

4. Large Hadron Collider • Ringdurchmesser: 27km • Schwerpunktsenergie: p-p-Kollision 14TeV Schwerionkollision 1150TeV • B-Feld von 9Tesla bei Temperatur von 1,9K • Kollision alle 25ns mit Paketen aus 1011 p+ • 25 Proton-Proton-Kollisionen pro Paket • 109 Kollisionen pro Sekunde • pro Kollision entstehen ca. 200 Teilchen • Trigger wägt ab ob Ereignis interessant (3μs)‏ • Daten müssen zwischengespeichert werden • Verbleibende 100 Ereignisse/sec produzieren mehrere Peta-Byte (1015) an Daten pro Jahr • Immenser Rechenaufwand (GRID)‏

5. Detektoranforderungen • müssen hohe Impulsauflösung (auch im TeV-Bereich) gewährleisten • Detektoren werden größer (ALV skaliert mit Länge)‏ • müssen möglichste viele versch. Teilchen und hohen Prozentsatz nachweisen können • müssen wegen großer Teilchenflüsse extrem strahlenhart sein (im Innern ca. 104-fache nat. Radioaktivität)‏

6. Experimente am LHC • ATLAS (A Torodial LHC ApparatuS)‏ • Universaldetektor für den Nachweis des Higgs-Bosons und supersymmetrischer Teilchen • CMS (Compact Muon Solenoid)‏ • Universaldetektor für den Nachweis des Higgs-Bosons und supersymmetrischer Teilchen • ALICE (A Large Collider Experiment)‏ • Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas das bei der Kollision von Blei-Ionen entstehen soll • LHCb (Large Hadron Collider beauty-Detektor)‏ • Untersuchung der CP-Verletzung mit B-Mesonen (Materieteilchen, die aus einem Up- oder Down-Quark und einem Anti-Bottom-Quark bestehen)‏

7. Higgs-Mechanismus • phys. Kräfte werden durch Austausch von Eichbosonen beschrieben, jedoch haben diese eine endliche Masse • Masse in Bewegungsgleichung berücksichtigen • Eichfelder nicht Eichinvariant, jedoch beruhen die Eigenschaften der Grundkräfte darauf, dass sie sich bei Eichtransformationen nicht ändern • Verwendung des Prinzips der spontanen Symmetriebrechung • Kraftgesetz bleibt erhalten • Eichbosonen erhalten Masse • Einführung des Higgs-Feldes

8. Higgs-Feld • Stellt sich überall im Universum den Teilchen in den Weg • Teilchen „zwängen“ sich durch das Feld, gewinnen an Masse und werden Träger • Masse stammt aus WW der Teilchen mit dem Higgs-Feld (wegen E=mc2)‏ • Unterschiedliche Massen sind auf untersch. starke WW zurückzuführen • Nach den Gesetzen der Quantentheorie gehören zu Quantenfeldern entsprechende Quanten (z.B. el.mag. Feld -> Photonen)‏ • Higgs-Feld -> Higgs-Teilchen

9. Lagrange-Dichte: £higgs = (DµΦ)+(DµΦ) + mΦ+Φ – λ(Φ+Φ)2 mit: m, λ ε R Dµ = ∂µ – igTaAµa kovariante Ableitung Ta Generatoren der Eichgruppe Aµa Eichfelder die Masse erhalten sollen Aus Lagrange-Dichte ist noch nicht erkennbar wie die Massen der Eichfelder zustande kommt Higgs-Feld

10. Higgs-Feld Potential des Higgs-Feldes: V = –mΦ+Φ + λ(Φ+Φ)2 Φ reell-> w-förmige Parabel Φ aber komplex ->Rotationsfigur der Parabel -> Mexikanerhutpotential ->Minima des Potentials sind günstiger Energiezustand ->entarteter Grundzustand (kreisförmig, 2 Freiheitsgrade)‏

11. Higgs-Feld • Phase kann vernachlässigt werden, da man für versch. Werte nur auf einer anderen Stelle des Minimalkreises herauskommt • Zweiter Freiheitsgrad wird als Teilchenfeld aus Higgs-Bosonen aufgefasst • Eichbosonen erhalten Masse

12. Higgs-Teilchen • Die Untergrenze für die Masse des Higgs-Bosons wurde auf 114GeV/c² festgelegt • Die Obergrenze wird auf 200GeV/c² geschätzt • Das Higgs-Boson und seine Masse können nicht direkt sondern nur über seinen Zerfall in Elementarteilchen nachgewiesen werden Higgs zerfällt in zwei Z-Bosonen die sofort in Jets von Hadronen (gelbe Bündel nach oben) bzw. ein Elektron-Positron-Paar (rote Linien nach rechts unten) zerfallen

13. Higgs-Masse Es hängt von der Masse des Higgs-Teilchens ab, in welche Teilchen und über welchen Prozess es zerfällt! Signifikanz (Verhältnis von Signal zu Untergrund) müsste nach einigen Jahren größer als 5 Standardabweichungen sein.

14. Supersymmetrie • Jedes Teilchen mit halbzahligem Spin hat einen supersymmetrischen Partner mit ganzzahligem Spin und umgekehrt • SUSY-Teilchenmasse > 1TeV/c² • Familie von Higgs-Teilchen ist Kandidat für SUSY-Teilchen (sofern man sie am LHC findet)‏ • Minimale Supersymmetrische Erweiterung des Standardmodells (MSSM)‏

15. Supersymmetrie Mit Hilfe der Supersymmetrie lassen sich die unterschiedlichen Kräfte viel besser zu einer einzigen Kraft vereinen. Diese Urkraft soll kurz nach dem Urknall die einzig Herrschende Kraft gewesen sein. Durch das Abkühlen des Weltalls hat sich die Urkraft in die verschiedenen uns heute bekannten Kräfte aufgespalten.

16. Supersymmetrie • SUSY-Teilchen sind Kandidaten für dunkle Materie z.B. Neutralino (unbekannte neutrale Teilchen)‏ • Würde im Detektor einen großen Impuls senkrecht zur Strahlachse wegtragen ohne direkt nachgewiesen werden zu können • Scheinbare Verletzung der Impulserhaltung

17. Quark-Gluon-Plasma • Kernbausteine eines Atoms bestehen aus Quarks welche von Gluonen zusammengehalten werden • Bei hoher Temperatur und Dichte verlieren Protonen und Neutronen ihre Identität und Quarks werden freigesetzt • T ~ 105 TSonne (~200MeV)‏ • Dichte wie im Zentrum eines Neutronensterns (~30GeV/fm³) • Quark-Gluon-Plasma

18. Quark-Gluon-Plasma • Beschreibt Zustand ~10µs nach dem Urknall • Quarks und Gluonen sind quasifrei • Abkühlen des Universums unter kritische Temperatur für Quarks führt zum ausfrieren von Hadronen • Protonen, Neutronen und leichte Atomkerne entstehen • Am LHC kollidieren Blei-Ionen mit 1150TeV um diesen Zustand kurz nach dem Urknall und die entstehenden Hadronen zu untersuchen (ALICE)‏

19. CP-Verletzung an Mesonen • Mesonen sind aus Quark und Antiquark aufgebaut und zerfallen nach kurzer Halbwertszeit in Myon und Neutrino bzw. Antineutrino • Zerfällt ein Teilchen über ein anderes Gesetz als sein Antiteilchen spricht man von CP-Verletzung

20. CP-Verletzung • C: Ladung (charge) bzw. Teilchen-Antiteilchen-Vertauschung • K0-Ḵ0-Mischung: schwache Kraft lässt K0-Mesonen nicht nur zerfallen, sondern erlaubt es ihm auch in sein Antiteilchen überzugehen • P: Parität bzw. Rechts-Links-Vertauschung (Spiegelung)‏ • Innerhalb CP: rechtsgeschraubtes Antineutrino verhält sich wie linksgeschraubtes Neutrino • Das ist bei K- und B-Mesonen nicht der Fall • CP-Verletzung könnte Grund für Überschuss an Materie im Universum sein

21. Compact Muon Solenoid 21m lang 15m Durchmesser 12500t schwer

22. Warum „Compact“?

23. Compact Muon Solenoid • Die ersten Ideen reichen bis ins Jahr 1990 • Mittlerweile arbeiten über 2000 Wissenschafler aus 38 Ländern und 178 Instituten daran • Baubeginn war vor ~5 Jahren • Fertigstellung und in Betriebnahme Anfang bis Mitte 2008 • Der Spurendetektor und die beiden Kalorimeter werden von einer supraleitenden Spule umgeben (13m lang, d=6m, durch den auf -270°C gekühlten Supraleiter aus Niob-Titan fließt ein Stom von 20000A und induziert ein Magnetfeld von 4Tesla (~105 BErde)‏

24. Mögliche Zerfallsmuster • mHiggs ~ 100GeV/c²

25. Mögliche Zerfallsmuster • mHiggs ~ 130GeV/c²

26. Mögliche Zerfallsmuster • mHiggs ~ 150GeV/c²

27. Mögliche Zerfallsmuster • mHiggs ~ 800GeV/c²

28. Dem Higgs auf der Spur • Der aussichtsreichste Reaktion ist, dass das Higgs in 4 Leptonen zerfällt

29. Transverse slice through CMS detector Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press “escape” to exit

30. Spurendetektor • Der Spurendetektor besteht aus fein segmentierten Sensoren aus Silizium (Streifen- und Pixeldetektoren) • Ermöglichen die Rekonstruktion von Teilchenspuren und die Bestimmung ihrer Impulse • Insgesamt verfügt der CMS Tracker über 25000 Silizium Streifen Sensoren auf einer Fläche von 210m²

31. Elektromagnetisches Kalorimeter • ~80000 Kristalle aus Bleiwolframat messen die Energien von Elektronen und Photonen • Szintillationslicht der Kristalle wird mit einem Fotodetektor eingefangen, verstärkt und digitalisiert

32. Preshower Detektor • Ein „Presshower-Detektor“ aus Silizium-Sensoren verbessert die Teilchenidentifikation in den Endkappen des elektromagnetischen Kalorimeters (γ-π0 Abtrennung)‏

33. Hadronkalorimeter • Abwechselnde Lagen aus Messing oder Stahl (Schauermedium) und Kunststoffszintillatoren oder Quarzfibern (Nachweismedium) erlauben die Bestimmung der Energien von Hadronen

34. Myondetektoren • Es werden drei Arten von gasförmigen Myondetektorentypen verwendet: Driftröhrenkammern (DT), Kathodenstreifenkammern (CSC) und Widerstandsplattenkammern (RPC)‏ • Die DT und CSC benutzt man, um genaue Messungen der Position und des Impulses des Myons zu machen • während die RPC Kammern schnelle Information für die Level-1 Trigger geben sollen

35. Myondetektoren • Die Myonen werden außerhalb der Spule nachgewiesen (sie durchdringen alle inneren Detektoren)‏ • Das Eisenjoch wird von vier Messstationen unterbrochen, in den bis zu 10m² großen Driftkammern wird die Richtung und der Impuls der Myonen nachgewiesen • Magnetfeld im Rückflussjoch wird ausgenutzt • Durchgangszeit wird in Parallelplattenkammern auf 1ns genau bestimmt

36. Triggersystem ~ 1Higgs pro 1013 Kollisionen • 1 Higgs pro Tag

37. Warum 2 nahezu identische Detektoren • Eiserner Grundsatz der Elementarteilchen- Physiker: bei einem so großen und einmaligem Projekt werden für die grundelegenden Experimente mindestens 2 Detektoren benötigt • Gegenseitiges Ergänzen und Überprüfen • Experimente müssen sich möglichst stark unterscheiden (bei ATLAS wird ein anfangs umstrittener Luft-Toroid für die Myonen-Messung verwendet)‏

38. Ausblick • CMS-Detektor wird momentan am LHC zusammengebaut • Mittlerweile schon erste Testläufe des Beschleunigerrings (12.11.2007)‏ • Start wurde auf Sommer 2008 verschoben

39. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Quellen: • cms.cern.ch • de.wikipedia.org • Physik Journal (2.2006 und 3.2007)‏ • www.weltderphysik.de • www.pro-physik.de • dict.leo.org (Danke fürs Übersetzen)‏