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Suche nach dem Higgs und die Experimente am LHC

Suche nach dem Higgs und die Experimente am LHC. Sebastian Reinicke Seminar Astro- und Teilchenphysik WS 2008/09. Inhalt. Experimente am LHC Alice LHCb Atlas CMS Higgs-Mechanismus Erwartete Produktion am LHC Erwartete Beobachtungen beim ATLAS/CMS. Experimente am LHC.

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Presentation Transcript

  1. Suche nach dem Higgs und die Experimente am LHC Sebastian Reinicke Seminar Astro- und Teilchenphysik WS 2008/09

  2. Inhalt • Experimente am LHC • Alice • LHCb • Atlas • CMS • Higgs-Mechanismus • Erwartete Produktion am LHC • Erwartete Beobachtungen beim ATLAS/CMS

  3. Experimente am LHC

  4. LHC – Large Hadron Collider • Umfang 27km • ~ 9600 Magnete • pp Collider 7TeV /Beam • Pb-Pb Collider 575TeV /Beam • 600 Millionen Kollisionen /s • 11245 Umläufe /s • 1,1 * 10^11 p / Bunch • Lum. =10 nb^-1 CMS LHCb Alise Atlas

  5. Alice – A Large Ion Collider Exp. Ziel: • Erzeugung von Quark-Gluon-Plasma durch Kollision von p und Schwerionen • Im QGP sind Quarks frei – normal gebunden (duo Meson, trio Baryon) • Erforschen was die Quarks zusammen hält (QCD) 26m lang, 16m breit 16m hoch 10000t

  6. LHCb – LHC Beauty Ziel: • Teilchen mit b-Quarks erforschen • Interressieren sich vorallem für bestimmte Erhaltungssätze und die CP-Verletzung (C-charge, P-parity) 21m lang, 13m breit 10m hoch 5600t

  7. Atlas – A Toroidal LHC ApparturS Ziel: • Nachweis des Higgs-Bosons • Nachweis der Supersymmetrie 46m lang, 25m Durchmesser 7000t

  8. CMS – Compact Muon Solenoid Ziel: • Wie ATLAS 21m lang 15m Durchmesser 12500t

  9. Aufbau des CMS Detektors

  10. LHC und Experimente

  11. Higgs-Mechanismus

  12. Higgs Mechanismus • Frage: Warum haben die Elemetarteilchen unterschiedliche Massen? • 1964 Peter Higgs postuliert skalares Hintergundfeld • Higgsfeld Widerstand für Teilchen Trägheit Masse • Kopplung über Higgs-Bosonen

  13. Higgs-Comic

  14. Warum ist das Higgs so wichtig? • einfachste bekannte und experimentell konsistenteste Erklärung für die Masse der Eichbosonen • Grundlegende Theorie erfordert Masselose Eichbosonen da sie sonst math. nicht Lösbar ist • W- und Z- Bosonen haben große Massen • Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher WW • experimentelle Bestätigung vieler Eigenschaften Standardmodell gilt als gut abgesichert

  15. Theoretische Berechnungen Standardmodell muss modifiziert werden Eichtheorie spontane Symmetriebrechung

  16. Modifizierung des SM • Einführung eines komplexen selbstwechselwirkenden Potentials: • global Eichinvariant mit erfüllt • für Grundzustand • Erwartungswert im Vakuum • Wellengleichung: • Beschreibt freies Teilchen der Masse • Feld wird Antiteilchen zugeordnet

  17. Modifizierung des SM • spontane SB wenn • Erwartungswert mit • System muss sich entscheiden • unendlich viele Grundzustände z.B.:

  18. Modifizierung des SM • Eichsymmetrie im Grundzustand nicht realisiert • Ableitung der Wellengleichung ergibt 2 Teilchen • Goldstoneboson mit Masse 0 • und Higgs-Boson mit Masse • Einführung der lokalen Eichtransformation • im GSW-Modell wird der WW masseloser W-Bosonen und Fermionen V zugefügt • Ф jetzt komplexes Isoduplett vier reelle Felder

  19. Modifizierung des SM • Rechnung ergab Teilchenspektrum von drei Vektorbosonen: • und Higgs-Boson: was fehlt ist das Higgs-Boson

  20. Erwartete Produktion am LHC

  21. Suche nach dem Higgs-Boson Bekannt: • wird benötigt um Masse der Teilchen zu erklären • keine Ladung • ganzahligen Spin 0 Skalarboson • mH > 112GeV bestätigt durch Messungen am LEP • theoretische Obergrenze von 1TeV • Massenabschätzung Fermilab (2006): 117GeV < mH < 153GeV (Messung der W-Bosonen-Masse)

  22. Erzeugung der Higgs-Bosonen • Vektorbosonenfusion Quarks ergeben zwei Jets Event reduzierung des Hintergrundes • Gluonfusion • tt-Fusion

  23. Wirkungsquerschnitt für Higgs Produktion • wird von Gluon-Gluon-Fusion dominiert • zweit stärkster Anteil ist Vektorbosonenfusion

  24. Zerfallskanäle für unterschiedliche H-Massen • Masse > 150GeV: Vektor-Bosonen dominieren • Masse < 150GeV domineren, auch Photon- Leptonendzustände

  25. Erwartete Detektion am ALTAS • Linien = detektierbar • Rest mit Neutrinos = nicht direkt detektierbar • einige hunderte bis 150GeV • Bester Kanal • schächer aber komplettes Spektrum

  26. CMS – Simulationen von Zerfällen bei verschiedener H-Masse

  27. Erwartete Beobachtungen beim ATLAS/CMS

  28. Signifikanz & Signale • Ziel der Detektoren ATLAS und CMS - Sicherstellung das Higgs endeckt werden kann (100GeV-1TeV) • Signalsignifikanz: (im Signalbereich) • bestätigte Endeckung • 2 hochpräzise Endeckungskanäle • z.B. 120GeV Higgs in CMS

  29. Signale • Sehr klares Signal bei (ATLAS) • geringere Produktionsrate • effektive Hintergrundunterdrückung • Paar nur Nachweisbar bei tt-Fusion

  30. Signale • Ziel ist somit theoretisch erreicht • Higgs-Boson wird falls es exisitiert in dem Bereich von 100GeV-1TeV endeckt werden

  31. Quellen • Springer-Lehrbuch, Teilchen und Kerne • The European Physical Journal C - Particles and Fields • http://public.web.cern.ch/public/ • http://atlas.ch/ • http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/index.htm • http://jaxodraw.sourceforge.net/

  32. ENDE

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