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Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 1

Physik am LHC und erste Resultate. Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik Österreichische Akademie der Wissenschaften. Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 1. Offene fundamentale Fragen. Inhalt. Teil 1

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Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 1

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  1. Physik am LHC und ersteResultate Claudia-Elisabeth Wulz InstitutfürHochenergiephysik ÖsterreichischeAkademiederWissenschaften HerbstschulefürHochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 1

  2. Offene fundamentale Fragen Inhalt Teil 1 FundamentaleoffeneFragenderPhysik LHC-Beschleuniger Experimenteund ihrePhysikziele Proton-Proton-Streuung Minimum-Bias-Physik und ersteResultate am LHC Teil 2 Standardmodell (außer Higgs) und ersteResultate am LHC Teil 3 HiggsbosonimStandardmodell Teil 4 Supersymmetrie und supersymmetrische Higgs-Teilchen Extradimensionen

  3. LiteraturTeil 1, Danksagung J. M. Campbell, J. W. Huston, W. J. Stirling: Hard interactions of quarks and gluons: a primer for LHC physics,Rep. Prog. Phys. 70 (2007) 89-193 http://arxiv.org/abs/hep-ph/0611148 T. Han: Collider Phenomenology: Basic Knowledge and Techniques, http://www.pheno.wisc.edu/~than/collider-update.pdf The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments, http://jinst.sissa.it/LHC/ D. d’Enterria: Forward physics at the LHC: within and beyond the Standard Model, http://arxiv.org/abs/0806.0883 Dank an M. Albrow, L. Di Ciaccio, M. Felcini und viele andere!

  4. Offene fundamentale Fragen Offene Fragen der Physik Ursprung und Hierarchie der Teilchenmassen Gibt es ein Higgs-Teilchen und was ist seine Masse? Wie muß das Standardmodell erweitert werden? Supersymmetrie, Grand Unified Theories, … Können alle Kräfte vereint werden? Einbindung der Gravitation? Gibt es zusätzliche Dimensionen? Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen? Gibt es mehr als drei Teilchengenerationen? Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie Woraus besteht die dunkle Materie des Kosmos? Was ist die dunkle Energie? Ursprung des quantenchromodynamischen Confinement Quark-Gluon-Plasma Wie entstand das Universum?

  5. Parameter des Large Hadron Collider Umfang: 27 km Proton - Proton Teilchenpakete: 2 x2808 (zurZeit 50) Protonen / Paket: 1.15 x 1011 Strahlenergie: 2 x 7 TeV (z.Z. 2 x 3.5 TeV) Luminosität: 1034 cm-2s-1(z.Z. >1031cm-2s-1) Strahlkreuzungsintervall: 25 ns Kollisionsrate: biszu O(109) pro Sekunde FlußdichtederDipolmagnete: 8.33 T AnzahlderDipolmagnete: 1232 Schwerionen (Pb-Pb) Strahlenergie: 5.5 TeV/Nukleonenpaar Luminosität: 1027 cm-2s-1 Strahlkreuzungsintervall: 125 ns Pakete Parton

  6. Kollisionen am Wechselwirkungspunkt Strahldurchmesser in den Wechselwirkungspunkten ATLAS, CMS, LHCb: 16,7 mm

  7. LHC-Betrieb • Meilensteine: • 10. Sep. 2008: 1. Protonen-Strahlim LHC • 20. Nov. 2009: NeustartnachPanne • 23. Nov. 2009: 1. Kollisionenbei 900 GeV • 30. Nov. 2009: NeuerWeltrekord 2.36 TeV • 30. März 2010: 7 TeV • Nov. 2010: Kollisionen von Pb-Ionen • 2012: Shutdown (neueKabelspleißungenzwischenMagneten) • 2013: Neustartbei 13 bis 14 TeV • 2015 oder 2016: StoppfürLuminositätsupgrade • IntegrierteLuminosität: • 100 pb-1bisEnde 2010 • 1 fb-1bisEnde 2011 • 250 bis 300 fb-1biszumEndeder 7 TeV Phase http://lpc.web.cern.ch/lpc/lumiplots.htm

  8. CMS LHC und die Experimente TOTEM ALICE ATLAS LHC Ma. Laach, Sep. 2010

  9. PhysikzielederMehrzweckexperimente ATLAS und CMS Standardmodellphysik - insbesondereSuchenachdemHiggsboson Physikjenseits des Standardmodells - AbweichungenvomStandardmodell - Supersymmetrie, dunkleMaterie - Compositeness, Leptoquarks - Extradimensionen - W’, Z’ - etc. Präzisionsmessungen - W-Masse - Topmasse und -Kopplungen - BestimmungderHiggsparameter (Masse, Spin, Kopplungen) - QCD: Wirkungsquerschnitte, as - B-Physik: CP-Verletzung, selteneZerfälle von B-Hadronen, B0-B0Oszillationen Schwerionenphysik -

  10. Das ATLAS-Experiment Stahl, Polystyren Absorber: Blei in rostfreiem Stahl

  11. Das ATLAS-Experiment Ma. Laach, Sep. 2010

  12. MAGNETSPULE ELEKTROMAGNETISCHES KALORIMETER PRESHOWER DETEKTOR EISENJOCH VORWÄRTS- KALORIMETER HB HE SILIZIUMTRACKER HF PIXELDETEKTOR HADRONKALORIMETER MYONKAMMERN IM ZENTRALBEREICH (DT+RPC) ENDKAPPEN-MYONKAMMERN (CSC+RPC) Compact Muon Solenoid (CMS)

  13. Aufbau des CMS-Experiments Ma. Laach, Sep. 2010

  14. Installation des Zentralteils von CMS Ma. Laach, Sep. 2010

  15. Installation der CMS-Endkappen 12. Dez. 2006 9. Jan. 2007 30. Nov. 2006

  16. Physikziele von ALICE Schwerionenphysik (ca. 1 Monat pro Jahr, Energie 30x RHIC-Energie) - StudiumderMateriebeihoherDichte und Temperatur (QGP) - Strangenesserhöhung: s, daschwereralsu und d, kannnurdurchGluonfusionbeihöchstenEnergienerzeugtwerden - Unterdrückung von J/y, Y - Jet Quenching: Normalerweiseentstehen Jets paarweise. Jedochwirdein Jet unterdrückt, wenn das Parton den Quark-Gluon-Plasmaballdurchqueren muss. - Color glass condensate (CGC): kalt und dicht (hoheGluonendichte) PhysikmitProtonen - vorallem QCD

  17. Schwerionenexperiment ALICE ALICE Cosmic Ray Detector (Szintillatoren) RICH PbWO4 C.-E. Wulz 17 Ma. Laach, Sep. 2010

  18. ALICE Ma. Laach, Sep. 2010

  19. Physikziele des Beauty-Experiments LHCb SuchenachneuerPhysik - CP-Verletzung Im B-System vieleZerfallsmodenzurVerfügung - Messung von CKM-Parametern - SelteneZerfälle von B-Hadronen z.B. Bs -> mm, SM BR: 4x10-9 - Quarkonia J/y, Y und angeregteZustände (Studium von Produktion, Polarisation) - B-Physik, Charm-Physik - aberauchelektroschwachePhysik, Exotika etc. Vorteile von LHCbgegenüber B-Fabriken: - σbb∼ 0.3 mbbei 7 TeV, 0.5 mbbei 14 TeV; 2 fb-1 pro Jahr, 1012 bb Paare pro Jahr; σcc∼ 3.6 mb. - Alleb-Hadronensindzugänglich: B±(ub, ub), B0(db, db), B0s(sb, sb), Bc±(cb, cb), b-Baryonen Insbesonderekann das Bs-System studiertwerden. - - - - - - - -

  20. CKM-Matrix dVCKM… O(l) Vijsind proportional zurStärkederKopplung von down-artigen (d, s, b) und up-artigen Quarks (u, c, t) an W±. Alle 4 Wolfenstein-Parameter haben die Größenordnung 1. 20 Ma. Laach, Sep. 2010

  21. Beauty-Physik-Experiment LHCb Vertex locator Beauty-Hadronensindrelativleicht, ~ 5 GeV << Ecm, daherwerdensie am LHC bevorzugt in Vorwärtsrichtungproduziert. RICH: Identifikation von geladenenHadronen. Ma. Laach, Sep. 2010

  22. LHCb Ma. Laach, Sep. 2010

  23. TOTEM und LHCf TOTEM - Messung des gesamten und des elastischen pp-Wirkungsquerschnitts - Studium von Diffraktion - KalibrationderLuminositätsmonitorederanderenExperimente - MessunggeladenerTeilchen, 10, 13, 147 und 220m von CMS entfernt LHCf - Simulation und Kalibration von Detektorenfür die kosmischeStrahlung, StudiumderTeilchenkaskaden und VergleichmitüblichenSchauermodellenfürAbschätzungderPrimärenergie von ultrahochenergetischenkosmischenStrahlen - 2 Wolfram/Szintillator - Kalorimeter, 140m von ATLAS entfernt LHCf TOTEM Roman Pots

  24. Wirkungsquerschnitte und RatenfürverschiedeneProzesseüberspannen am LHC vieleGrößenordnungen • gesamt (stot): 100 mb,109Hz • W ->ln: 10 nb, 100 Hz • tt: 1 nb, 10 Hz • Higgs (100 GeV): 10 pb, 0.1 Hz • Higgs (600 GeV): 1 pb, 0.01 Hz • ErforderlicheSelektivität • 1 : 10 10- 11 - Trigger Wirkungsquerschnitte und Raten

  25. NützlichekinematischeVariablen • ÜblicheKoordinaten: • z…Strahlachse • y ... Vertikale • Pseudorapidität • …Winkel (y-z) zurStrahlachseimSchwerpunktssystem (0 < q < p, -¥ < h <¥) • Rapidität • Die Teilchendichte pro Radpiditätsintervallist in etwakonstant. HoheRapidität (>3): “Vorwärtsbereich”. • Azimutf…Winkel (x-y) in der Transversalebene • TransversalimpulspT … • Variablen nur aus Transversalkomponenten sind invariant gegen longitudinale Boosts. Rapiditätsintervall am LHC für bestehende und vorgeschlagene Detektoren

  26. Proton-Proton-Streuung Die meistenEreignisse, die bei pp-Kollisionenentstehen, stammenausWechselwirkungenmitniedrigemImpulstransferzwischenAnfangs- und Endzustand (“soft”). Pomeron: Farbsingulett-Zustandaus Quarks/Gluonenmit den Quantenzahlen des Vakuums (C=P=+1) Streuprozesse: ElastischeStreuung (ca. 25% von stot) Einfachdiffraktion Doppeldiffraktion Multi-Pomeron-oderPhotonaustausch Nicht-diffraktiveStreuung (inelastisch)

  27. Harte Streuprozesse Harte, inelastischeStreuprozesse: Parton-Parton-StößebeihohenEnergien -> Erzeugung von Jets, W, Z, Higgs etc. Underlying event: Fragmente von Spectator-Partonen (nicht an derhartenWechselwirkungbeteiligt), Initial- und final-state radiation.

  28. Partonendichtefunktion X F (Endzustand) X (“underlying event”) Die Partonendichtefunktion (PDF, parton distribution function)fi(x,Q2)ist die Wahrscheinlichkeitsdichte, ein Parton i (Quark, Gluon) miteinemBruchteilx des ProtonimpulsesbeiImpulsübertragQ2 (4-Impulsquadrat des virtuellenTeilchens, das ausgetauschtwird) zufinden. Die x-Abhängigheitkannnichtstörungstheoretischausder QCD berechnetwerden, sondernwirdausexperimentellenDatenbestimmt (z.B. Parametrisierung CTEQ6).

  29. PDF bei HERA am DESY Gluonen Seequarks Valenzquarks Kenntnisder PDF istenormwichtigfür LHC-Physik. QCD-Untergrundistimmerpräsent! Besonderswichtigfür SUSY, Extradimensionen, Compositeness u.a.

  30. Teilchendichte am LHC Je nachLuminositätsindKollisionenüberlagert, ca. 23 bei 1034 cm-2s-1. DiesefindenübereineDistanz von ca. 50 cm statt. Mehrfachstreuungvon Partonenistebensomöglich. 1033 cm-2 s-1 1032 cm-2 s-1 1035 cm-2 s-1 1034 cm-2 s-1 High Luminosity LHC: 88 überlagerte Ereignisse

  31. MaximaleLuminosität: L~1.6 x 1030 cm-2s-1 • MittlereZahl von pp-Wechselwirkungen pro Strahlkreuzung: biszu1.3 • “pile-up” (~40%derEreignissehabenmehralseine pp-Wechselwirkung pro Strahlkreuzung) ~ 10-45SpurenmitpT>150 MeV pro Vertex z-Positionender Vertices : −3.2, −2.3, 0.5, 1.9 cm (Vertexauflösungbesserals~200 μm) Ma. Laach, Sep. 2010

  32. Minimum Bias Ereignisse ImPrinzipalleEreignisse, die ohne (restriktive) Triggerbedingungenselektiertwurden. Üblicherweisebezeichnet man mit Minimum Bias nurEreignisse, die nichtenfachdiffraktivsind (“NSD”). Minimum Bias Ereignissemüssendurch Monte-Carlo-Programme (z.B. PYTHIA, PHOJET, HERWIG etc.) modelliertwerden. Die erstenPublikationen am LHC erfolgtenmit Minimum Bias Ereignissen. Beispiel: CMS Beam Scintillator Counters 3.23 < |h| < 4.65 Triggerbedingung: beliebiger BSC-TrefferkoinzidentmitkollidierendenProtonpaketen sNSD ≈ 2/3 sTOT

  33. VerteilungengeladenerHadronen “Transverse Momentum and Pseudorapidity Distributions of Charged Hadrons in pp Collisions at √s = 7 TeV” CMS Collaboration, Phys. Rev. Lett. 105, 2010. Minimum Bias Ereignisse. Die 7 TeVDatenstammenvom 30. März 2010, dem 1. Tag derWiederinbetriebnahme des LHC! NSD-Ereignisauswahl (Korrektur6%2.5% systematischerFehler) “Soft” QCD: pTderSpurenbishinunterzu 50 MeV/c Die TeilchendichtedNch/dh|h=0steigt in den Datenstärker an als in den Modellvorhersagen. Monte Carlos müssendaherangepasstwerden. DerEinfluss auf PhysikbeihohempTsolltejedoch marginal sein.

  34. Bose-Einstein-Korrelationen “Two-pion Bose-Einstein correlations in pp collisions at √s = 900 GeV” ALICE Collaboration, Phys. Rev. D, 2010. Bose-Einstein-KorrelationenkommendurchkonstruktiveInterferenz von Bosonwellenfunktionenzustande. Es kommtzueinemAnstiegderZahl von Bosonenpaaren (z.B. p±) mitgleicherLadung und kleinerViererimpulsdifferenz. A … Impulsdifferenzverteilung von PionenimselbenEreignis B … Impulsdifferenzverteilung von Pionen in verschiedenenEreignissen M … Mulitiplizität,

  35. HBT-Radius “Two-pion Bose-Einstein correlations in pp collisions at √s = 900 GeV”, ALICE Collaboration, Phys. Rev. D, 2010. längerreichweitigeKorrelationen (z.B. ausEnergieerhaltung) l … Korrelationsstärke Hanbury-Brown-Twist-Radius Der HBT-Radius steigtmitderMultiplizität, was auch von anderenExperimentenals ALICE gefundenwurde. EristeinMaßfür den Radius der “Quelle”.

  36. ZentraleexklusiveProduktion p g g X Loop mitschweren Quarks (z.B top) g LHC p X … Dijets, Higgs etc. Massenauflösungfürleichtes Higgs ≈ 2 GeV, VerhältnisSignal:Untergrund gut. Higgs sogarim bb-Kanalleichtmessbar. Allerdingssind die Produktions-wirkungsquerschnitteklein. Am Tevatronwären die Querschnittezuklein, ca. 0.03 fb, um verwertbarzusein. Detektorenentlangderbeamlines von ATLAS und CMS jeweilsbei ± 420 mzurIdentifikationderProtonen (FP420).

  37. ZusammenfassungTeil 1 - LHC istmittelfristigderbesteTeilchenbeschleunigerfür die EntdeckungneuerPhysik - MehrerekomplementäreExperimentestehenzurVerfügung - SchwierigeexperimentelleBedingungen - ErstePhysikresultatesindbereitspubliziert - Neues in der “bekannten” Physikscheintsichanzudeuten …

  38. BACKUP

  39. p p P p p

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