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Das LHC-Experiment

Description:

Das LHC-Experiment Markus Kern HS Schl sselexperimente der Elementarteilchenphysik WS 2008/09 – PowerPoint PPT presentation

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Date added: 7 March 2019
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Tags: lhc | das | ecal | experiment

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Title: Das LHC-Experiment


1
Das LHC-Experiment
  • Markus Kern
  • HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysi
    k
  • WS 2008/09

2
Inhalt
  • Ein kurzer Überblick über den LHC
  • Die Physik am LHC
  • Die Suche nach dem Higgsboson
  • Supersymmetrie
  • Der CMS-Detektor im Detail

3
Der Large Hadron Collider
4
Der 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

5
Beschleunigerrohr
  • 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

6
Stillstand 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

7
Das 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 Ws und Z haben Masse.
  • Higgsmechanismus rettet Eichprinzip durch
    Einführung des Higgsfelds und des Higgsbosons.

8
Higgsproduktion
9
Wirkungsquerschnitte
10
Higgszerfall
11
Higgszerfall II
12
Probleme 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.

13
Supersymmetrie
  • 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

14
Lösung des Eichproblems
  • Supersymmetrisches Modell erlaubt die Vereinigung
    der WW bei hohen Energien
  • Im SM nicht möglich, da kein gemeinsamer
    Schnittpunkt vorhanden

15
Lösung des Fine-Tuning-Problems
  • Strahlungskorrekturen enthalten nun auch
    Superpartner, diese unterscheiden sich nur durch
    das Vorzeichen
  • ? Korrekturen heben sich gegenseitig auf

16
MSSM
  • Das MSSM ist die kleinstmögliche Erweiterung des
    SM zu einem supersymmetrischen Modell
  • Existenz einer neuen multiplikativen Quantenzahl
  • R-Parität, Erhaltungsgröße im MSSM
  • SM-Teilchen R1 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

17
Nachweis 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

18
Der CMS-Detektor
19
Teilchenspuren im Detektor
20
Pixeldetektor
  • 65 Millionen Pixel
  • 3 zylindrische Schichten mit 4cm, 7cm und 10cm
    Abstand zum Teilchenstrahl
  • Teilchen erzeugen beim Durchfliegen
  • Elektronen-Loch-Paare
  • ? elektrische Signale

21
Streifendetektor
  • 10 Lagen Siliziumstreifendetektoren
  • Fläche über 200m2
  • Unterschiedliche Ausrichtung der Streifen erlaubt
    3D Rekonstruktion der Teilchenspur

22
Karlsruher 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

23
ECAL
  • Szintillationskalorimeter
  • Besteht aus fast 80 000 PbWO4 Kristallen.
  • Kurze Strahlungslänge X00,89cm
  • Schnelle Reaktionszeit 80 des Lichts werden in
    25ns emittiert
  • Geringe Lichtausbeute 30?/MeV

24
HCAL
  • 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

25
Solenoid
  • 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

26
Der 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

27
Quellenverzeichnis
  • Peter 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)
    279390.
  • 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

28
Quellenverzeichnis II
  • Die Zahlen in eckigen Klammern geben die
    Foliennummer an.
  • 3 http//media.arstechnica.com/news.media/LHC.j
    pg
  • 4 http//livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/
    antimatter/history/historypictures/LHC-drawing-hal
    f.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
  • 11oben links http//cms-project-cmsinfo.web.cern
    .ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/
    Higgs/100GeV.jpg
  • unten links https//cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/pt
    dr2-figs/images/Figure_20CP-001.jpg
  • oben rechts http//cms-project-cmsinfo.web.cern.c
    h/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/Hi
    ggs/150GeV_1.jpg
  • unten rechts https//cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/p
    tdr2-figs/images/Figure_20CP-003.jpg
  • 14 http//www.physik.uzh.ch/kmueller/text/vorle
    sung/susy/img34.gif
  • 15 http//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons
    /thumb/6/68/Hqmc-vector.svg/300px-
    Hqmc-vector.svg.png

29
Quellenverzeichnis III
  • 17 http//cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-p
    roject-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-pr
    oject-cmsinfo/Resources/Website/Media/Videos/Anima
    tions/files/CMS_Slice.gif
  • 20 links http//www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/
    images/stories/experimente/CMS/siliziumdetektor.jp
    g
  • rechts 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/Tra
    cker/Barrel.gif
  • rechts https//cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr1-f
    igs/Figures/Figure_001-009.jpg
  • 22 oben http//www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/i
    mages/stories/experimente/CMS/silizium_sensor.jpg
  • unten http//www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/imag
    es/stories/experimente/CMS/petalproduktion3.jpg
  • 23 links http//www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/
    jwagner/SS08
  • /talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 31
  • rechts http//cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms
    -project-cmsinfo/Resources/Website/Media/Images/Ga
    llery/ECAL/EB/HighRes/oreach-2001-001.jpg
  • 24 http//www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/jwagn
    er/SS08/talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 32
  • 25 http//cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-pr
    oject-cmsinfo/Resources/Website/Detector/Magnet/05
    09015_14-A4-at-144-dpi_thumb.jpg
  • 26 http//cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-pr
    oject-cmsinfo/Resources/
  • Website/Detector/Muons/DT.gif
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