Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen CMS-Experiment

CMS-Experiment

Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen

CMS-Experiment

1. Motivation des Experiments 2. Higgs-Boson

3. Teilchennachweis und Detektorsystem 4. Mögliche Ergebnisse

1. Motivation des Experiments

• Vollständiges Verständnis des Universums

• Herstellung der Bedingungen beim Urknall

• Wir brauchen gegenseitige Bestätigung von Experiment und Theorie

Energieentwicklung

+ LHC setzt die Suche nach neuer Physik auf höherer Energieskala fort - Teilchenbeschleuniger stoßen allmählich an technische Grenzen

LHC

• 27 km Umfang

• 14 TeV pp-Kollision

• 1150 TeV

Schwerionkollision

• Alle 50 ns Kollision zweier Pakete (pro Paket 115 Milliarden Protonen)

CMS LHC-B

ATLAS

ALICE

Genf

Grenzen der technischen Möglichkeiten..

Aktuelle Fragen der experimentellen Teilchenphysik

• Suche nach supersymmetrischen Teilchen zur Bestätigung einer SUSY

(z.B. Graviton und Gravitino für eine SUGRA, LSP (dunkle Materie))

• Untersuchung der CP-Verletzung anhand von B-Mesonen (besitzen )

• Quark-Gluon-Plasma

• Überprüfung des SM: Higgs-Boson

• Experimentelles Erforschen eines neuen Energiebereichs

Detektoren am großen Ring Ziele

LHCb B-Meson-Detektor

Untersuchung CP-Verletzung

ALICE Quark-Gluon-Plasma

durch Schwerionenkollision

ATLAS Higgs-Boson

Supersymmetrische Teilchen Schwerionkollision

CMS

(Compact Muon Solenoid) Higgs-Boson

Supersymmetrische Teilchen Schwerionkollision

Aktuelle Fragen der experimentellen

Teilchenphysik

2. Higgs-Boson

Beispiel:

Zusammensetzung der Protonmasse ?

2. Higgs-Boson

• Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld als Erklärung für Eigenschaft Masse der Teilchen, Higgs-Boson ist Mediator des Feldes

• Hilfreiche Vorstellung:

Ein Körper im Wasser (Analogie zum Higgs-Feld) verhält sich träger als in Luft (kein Higgs-Feld)

• Term in der Lagrange-Funktion, der Wechselwirkung mit Potential beschreibt mit als Kopplungskonstante

• Das Potential verursacht spontane Symmetriebrechung

• Masse des Higgs-Boson hat Einfluss auf Krümmung des Potentials am Minimum

2. Higgs-Boson

•Theoretische Beschreibung des Standardmodells ordnet den Teilchen keine Masse zu, insbesondere fordert sie masselose Eichbosonen

• Z⁰ und W^+- sind aber massebehaftet !

• Eigenschaften:

elektrisch neutral Spin 0 Boson

• Vorhersagen der Masse

Supersymmetrie: (siehe Vortrag über Supersymmetrie)

Diverse Meinungen:

Mögliche Erzeugung eines Higgs-Boson

Fusion Bremsstrahlung

• Kopplung des Higgs

Auch andere Wechselwirkungen möglich, aber unterdrückt

Suche nach Higgs-Boson

Mögliche Zerfallskanäle

Suche nach Higgs-Boson

Mögliche Zerfallskanäle

3. Teilchennachweis und Detektorsystem

Überblick:

3. Teilchennachweis und Detektorsystem

3. Teilchennachweis und Detektorsystem

•

elektromagnetische WW

(Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung)

• Nachweis im elektromagnetischen Kalorimeter (ECAL) Szintillation (Anregung, Ionisierung)

Cherenkov-Effekt In CMS PbWO₄-Kristall

schnell: kurze Abklingzeit (10ns) kurze Strahlungslänge X₀ = 0.89 cm

Szintillationslicht wird über

•

• Nachweis ebenfalls im ECAL

• Unterschiede zu

Bremsstrahlung, Stoßionisation -> Große Kernladungszahl (Pb, W) kein punktueller Deposit,

denn

-> Material mit hoher Dichte und kurzer Strahlungslänge jedoch obere Grenze wegen Photon-Durchlässigkeit

• Weitere Nachweismöglichkeit im Tracker !

3. Teilchennachweis und Detektorsystem

• Tracker

• Ionisationsspur geladener Teilchen

• Halbleitermaterial besser als Gas

• Ablenkung im Magnetfeld -> Rekonstruktion der

Teilchenspuren

-> Ladungs- und Impulsbestimmung

• In CMS 13 Schichten von Siliziumdetektoren:

• Pixeldetektoren (3 innerste Schichten) Präzise <-> viele Drähte, viele Daten

3. Teilchennachweis und Detektorsystem

3. Teilchennachweis und Detektorsystem

• Streifendetektoren

unpräzise -> Anordnung zweier Schichten unter kleinem Winkel

Weltgrößter Tracker mit 206 m² Fläche

•

Aus Hadron-Schauern resultierend

Werden ebenfalls abgelenkt, Detektion aber erst im hadronischen Kalorimeter (HCAL)

•

Neutral -> HCAL

-> verursacht zwei Subschauer Nachweis im HCAL oder schon im ECAL

-> Gleiches Detektorprinzip im HCAL: Szintillation

3. Teilchennachweis und Detektorsystem

3. Teilchennachweis und Detektorsystem

• Hadronisches Kalorimeter (Szintillation, Schauerbildung)

Hadronen müssen Zerfallen, Aufschauern, Energie deponieren -> Absorbermaterial: starke, schwache WW

In CMS: Fe, Cu/Zi Schichten aus Szintillatoren

und Absorbermaterial -> Erzeugung und Detektion von in Szintillatoren über e.m.WW

In CMS Plastikszintillatoren (günstig, formbar) mit Signalweiterleitung über Quarzfasern

•

• geringer Wirkungsquerschnitt, aber möglichst ganzheitliche Energiemessung wichtig! Dafür geladene Teilchen

-> Ionisationsspur in Gas

• CMS: Driftröhren und Kathodenstreifenkammer (Endkappen) gefüllt mit ArCO₂-Gas

Ortsmessung in Driftröhre:

Verstärkung an Anoden durch Gradient -> zwei Koordinaten, ortspräzise

-> Impulsbestimmung

Resistive Plate Chambers

schnelle Detektoren, zeitpräzise, redundant

-> Information für Trigger zur Entscheidung über Speicherung

3. Teilchennachweis und Detektorsystem

3. Teilchennachweis und Detektorsystem

• Myondetektion sehr wichtig:

Goldener Kanal

klares und eindeutiges Signal

Eindeutiger Indiz für Zerfall bei Kollision

3. Teilchennachweis und Detektorsystem

• Myondetektion sehr wichtig:

Goldener Kanal

klares und eindeutiges Signal

Eindeutiger Indiz für Zerfall bei Kollision

• Erneuter Überblick:

Myonspur durch

Magnetfeld (4T) des supraleitenden

Solenoids Eisen im

Rückflussjoch (2T) Strahlungsabsorption

CMS ATLAS

Tracker Siliziumdetektor Siliziumdetektor

Transition Radiation Tracker (Bestimmung der Teilchenart)

ECAL Szintillator (PbWO₄) Edelstahl und Flüssiges Argon

HCAL Szintillator (Plastik) und

Fe- sowie Cu/Zi-Absorber Stahl und Argon/Szintillator

Solenoid Solenoid umschließt Tracker

und Kalorimeter (-> 4T) Solenoid im Detektorinnern (-> 2T) Toroid-Magnete im Myonsystem

Myonkammern 3 Kammertypen (anderer Aufbau in Endkappen) -> robust

2 Kammertypen

Driftröhren zur Ortsbestimmung, zweiter Typ für Trigger

Resümee: Vergleich mit ATLAS

-> Zwei Experimente mit z.T. unterschiedlichen Methoden

Gegenseitige Bestätigung und Ergänzung durch Unabhängigkeit

4. Mögliche Ergebnisse

Mögliches Event eines Higgs-Teilchens

Event mit fehlender Energie und Jets

Zerfall eines Neutralino

Neutralino zerfällt in Z und LSP,

Z zerfällt in zwei Myonen

Jet

Z-Boson Produktion

Simulation

Higgs-Boson ergibt schmalbandiges Signal -> Hohe Sensibilität nötig

Simulation

Starkes Hintergrundrauschen

Außerdem seltene Produktion des Higgs-Bosons -> Hohe Luminosität nötig

Higgs-Boson müsste am LHC zu finden sein, sonst Überdenken des SM !

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !