Das CMS-Experiment
Eintrag auf der FAQ Seite des CMS Experiments:
Inhalt
1.
Einführung:
Der Large Hadron Collider (LHC) Experimente
2.
Ziel der Experimente
2.1 Quark-Gluon-Plasma 2.2 CP-Verletzung
2.3 Higgs Boson
2.4 Supersymmetrie
3.
Der Compact Muon Solenoid 3.1 Genereller Aufbau
3.2 Detektoren 3.3 Datenanalyse
4.
Ausblick
Der LHC: Ein Großprojekt
Internationales Großprojekt
Allein am CMS Experiment arbeiten 2000 Physiker aus 36 Ländern
Beschleunigerring mit 27 km Umfang
Proton-Proton bzw.
Schwerionencollider
Schwerpunktsenergie der p-p Kollision: 14 TeV
Für die
Schwerionenkollisionen:
1150 TeV
Hohe Strahlluminosität:
L = 1033-1034 cm-2s-1
Die Experimente am LHC
ALICE: A Large Ion Collider Experiment
ATLAS: A large Toroidal LHC ApparatuS
CMS: The Compact Muon Solenoid
LHCb: Large Hadron Collider beauty
experiment
Alle 25 ns werden die umlaufenden Teilchenpakete gegeneinander gelenkt
Pro Strahlkreuzung ca. 20 p-p Kollisionen mit 1000
Sekundärteilchen die in den
Detektoren nachgewiesen werden müssen
In einer Sekunde so viele Daten wie 1995 am Tag
Pro Jahr 15 Petabyte an Daten
Wozu der ganze Aufwand?
Ziele des LHC
1. Entdeckung des Higgs-Bosons
2. Nachweis supersymmetrischer Teilchen
3. Untersuchung der CP-Verletzung in B- Mesonensystemen
4. Erzeugung eines Quark-Gluon-Plasmas durch die Kollision von Schwerionen
5. Entdeckung anderer „neuer Physik“ jenseits des Standardmodells
Quark Gluon Plasma
Normalerweise:
Confinement d.h. Quarks nicht frei
Im QGP sind Quarks und Gluonen quasifrei
Wechselwirkung durch inelastische Stöße
Expansion durch den inneren Druck und Abkühlung führt zur Hadronisierung
Interessanter Zustand da man annimmt dass dies der Zustand der Materie 10-33s nach dem Urknall war (Quarks Ära)
CP-Verletzung
C: Ladungskonjugation
P: Parität
CP-Symmetrie verletzt:
entdeckt 1964 an neutralen K Mesonen unterschiedliche Lebensdauern
An B-Mesonen genauere Untersuchungen der Verletzung dieser Symmetrie
CP- Verletzung an X-Bosonen nach dem Urknall ist
wahrscheinlich verantwortlich für den Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie
Higgs im Standardmodell
Quantenfeldtheorien invariant unter lokalen Eichtransformationen
Dafür: Eichbosonen masselos
Da W+ W- und Z aber Masse haben
=> Higgs Mechanismus
Einführung eines skalaren Feldes das überall im Raum präsent ist
Der Grundzustand des Vakuums ist nicht mehr eindeutig
Auswahl eines bestimmten dieser Zustände
=> Spontane Symmetriebrechung
=> Masse ohne Einführung expliziter Massenterme
Grundzustand im Higgsmechanismus
Higgserzeugungsprozesse
Hiervon vor allem und interessant da eindeutige Signaturen: Im ersten Fall entstehen beim Zerfall der W auch Neutrinos die durch fehlende
Higgszerfall
Mögliche Zerfallskanäle sind von der Masse des Higgs- Teilchens abhängig
B-Mesonen haben eine relativ lange Lebensdauer und legen daher im Detektor eine gewisse Strecke zurück
=> Erzeugung der
Teilchenpaare nicht am gleichen Ort wie
Strahlkollisionspunkt
=> Sekundärvertizes die mit
Supersymmetrie
Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen
Werden STeilchen genannt
Eichbosonen erhalten die Endung -ino
Zahl der Elementarteilchen verdoppelt sich
Neue Quantenzahl: R Parität
mit B: Baryonenzahl, L: Leptonenzahl, S:Spin
Für SM Teilchen: R=+1
Für ihre Susy-Partner R=-1
Wenn man die R-Paritätserhaltung annimmt zerfallen Susy- Teilchen nicht in SM Teilchen
Vereinheitlichung der Grundkräfte
Für große Energien: Vereinigung der elektromagnetischen,
Dunkle Materie
Da die leichtesten Supersymmetrischen Teilchen
stabil sein sollten sind sie ein aussichtsreicher
Modells
Vereinheitlichung der Kräfte
Kandidat für Dunkle Materie
Quadratische Divergenzen im Standardmodell behoben
Erweiterung der Poincaré Gruppe
um Symmetrie zwischen Bosonen und
Fermionen mit der Aussicht auch die
Mögliches Ereignis und Nachweis
Neutralino χ das leichteste supersymmetrische Teilchen d.h. entsteht am Ende der Zerfallskette und entweicht aus dem Detektor da es nicht mit normaler Materie wechselwirkt
Diese fehlende Transversale Energie die nicht von den Kalorimetern erfasst wird kann zum Nachweis dienen
Reaktionen in einem speziellen Fall (LM9)
Generell: Quantitative Vorhersagen nur für vorher gewählte Parameter möglich
Betrachtung des Zerfalls
ergibt Massenkante im Spektrum von Leptonenpaaren
Signatur:
2 isolierte Leptonen gleichen Flavours und
verschiedenen Vorzeichens Fehlende transversale
Energie
Mehrere Jets
Anforderungen an den Detektor
Die zwei Hauptkriterien die der CMS Detektor erfüllen muss um Higgs-Bosonen und Supersymmetrische Teilchen
nachweisen zu können sind:
1. Hermetizität (um fehlende Energie zu bemerken) 2. Identifizierung von Sekundärvertizes (wichtig falls Higgs
Teilchen eine Masse von unter 160 GeV hat)
Wie werden die Vorhersagen im
Experiment überprüft?
Detektor
Verwendete Koordinaten
x,y,z bzw. davon ausgehend r, θ und φ
Für einen Detektor geschickter: Pseudorapidität η
Man definiert sie als:
Die Wahl dieser statt des Winkels θ direkt hat den Vorteil, dass Δη invariant unter Lorentztransformationen ist (Δθ nicht)
Click on a particle type to visualise that particle in CMS
Press “escape” to exit
Halbleiterdetektoren
Prinzip: In Sperrrichtung betriebene Halbleiterdioden
Durchgehendes Teilchen erzeugt Elektron Loch Paare
Trennung im elektrischen Feld
Pixel Vertex Detektor
In 4cm Abstand von der Strahlachse
Drei konzentrische Lagen aus Silizium Pixel Detektoren +
Siliziumstreifen Spurdetektor
Im Anschluss an den Pixeldetektor: 15148 Streifendetektormodule
Streifen haben den Nachteil, dass man z-Komponente nicht bestimmen kann
=> Verwendung von doppelseitigen Modulen deren Streifen gegeneinander gedreht sind (hier blau)
Elektromagnetisches Kalorimeter
homogenes Kalorimeter bestehend aus 61000 PbWO4 Kristallen (kurze Strahlungslänge X0<1cm und hohe Strahlenhärte)
WW mit den Kristallen über Bremsstrahlung, Photoeffekt, Compton-
Hadronisches Kalorimeter
Sampling- (Inhomogenes) Kalorimeter:
Schauermedium: Kupfer bzw. Stahl
Nachweismedium: Plastikszintillator bzw. Quarzfasern
Schauerbildung komplizierter als im elektromagnetischen Schauer da verschiedene Mesonen entstehen können
π0 Zerfall in zwei γ erzeugt elektromagnetische Subschauer
Intensität des Schauers nimmt wie ab
λhad ist die hadronische Wechselwirkungslänge
Durch Forward Kalorimeter Abdeckung bis |η|<5
Der Myonen Detektor
Myonendetektor:
Driftkammern gefüllt mit Ar-Co2 Gasgemisch
Beim Durchgang eines Myons ionisiert dieses das Gas
Freigesetzte e driften zur Anode
Click on a particle type to visualise that particle in CMS
Press “escape” to exit
Datenanalyse
Pakete treffen sich alle 25 ns
Das ergibt bei durchschnittlich 20 p-p Kollisionen 800 Mio.
Kollisionen pro Sekunde
Die meisten Prozesse sind nicht interessant
Bsp.: Higgs Produktion
Im Schnitt einmal alle 1013 Kollisionen D.h. 1 Higgs pro Tag
Vergleich: Nadel im Heuhaufen
Typische Größe einer Nadel:
5 mm3
Typisches Volumen eines Heuhaufens:
50 m3
=> Verhältnis Nadel : Heuhaufen = 1 : 1010
Für Higgs Boson: 1 : 1013
Die Suche nach einem Higgs Event in den gesamten Produzierten ist also vergleichbar damit eine Nadel in 1000 Heuhaufen zu suchen
