1 das cms-experiment hauptseminarvortrag am 15.12.2006 alexander wiegand

Das CMS Experiment - 1. Einführung

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Das CMS-Experiment

Hauptseminarvortrag am 15.12.2006Alexander Wiegand

Das CMS Experiment

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Eintrag auf der FAQ Seite des CMS Experiments:

Who governs you? I mean, to me, these rings that you are building look like the "Stargate" [from the TV program - ed]. What is to guarantee that you are not building a portal to other universes? [note: this was a REAL question! - ed]

Das CMS Experiment - Inhalt

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Inhalt

1. Einführung: Der Large Hadron Collider (LHC)

Experimente2. Ziel der Experimente

2.1 Quark-Gluon-Plasma2.2 CP-Verletzung2.3 Higgs Boson2.4 Supersymmetrie

3. Der Compact Muon Solenoid3.1 Genereller Aufbau3.2 Detektoren3.3 Datenanalyse

4. Ausblick


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Der LHC: Ein Großprojekt

Internationales GroßprojektAllein am CMS Experiment arbeiten 2000 Physiker aus 36 Ländern

Kosten bis zur Fertigstellung: ca. 2 Mrd. Euro Projektbeginn 1994 Lange Bauzeit: 2000 – 2007 (geplante Fertigstellung)


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Der LHC Ring

Beschleunigerring mit 27 km Umfang

Proton-Proton bzw. Schwerionencollider

Schwerpunktsenergie der p-p Kollision: 14 TeVFür die Schwerionenkollisionen: 1150 TeV

Hohe Strahlluminosität:L = 1033-1034 cm-2s-1


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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


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Die Beschleunigerrohre

1232 supraleitende Dipolmagnete die bei 1,9 K arbeiten und Magnetfelder von 9 Tesla erzeugen werden


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Große Datenmengen

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

Find 4 straight tracks.


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Wozu der ganze Aufwand?

Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente

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Ziele des LHC

1. Entdeckung des Higgs-Bosons2. Nachweis supersymmetrischer Teilchen3. Untersuchung der CP-Verletzung in B-

Mesonensystemen4. Erzeugung eines Quark-Gluon-Plasmas durch

die Kollision von Schwerionen5. Entdeckung anderer „neuer Physik“ jenseits

des Standardmodells


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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)


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CP-Verletzung

C: Ladungskonjugation P: Parität CP-Symmetrie verletzt:

entdeckt 1964 an neutralen K Mesonenunterschiedliche 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


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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


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Grundzustand im Higgsmechanismus

Grundzustand symmetrisch Bei hohen Energien eindeutiges Minimum Für niedrige Energien mehrere mögliche Endzustände


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Higgserzeugungsprozesse

Hiervon vor allem und interessant da eindeutige Signaturen: Im ersten Fall entstehen beim Zerfall der W± auch Neutrinos die durch fehlende Energie gesehen werden können und im zweiten Fall viele hochenergetische Jets zu erwarten sind


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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 exakten Spurdetektoren aufgelöst werden sollen


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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=> Das leichteste Susy Teilchen LSP ist stabil


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Vereinheitlichung der Grundkräfte

Für große Energien: Vereinigung der elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkung

Dies ist nur im Rahmen des supersymmetrischen Modells möglich da sich die im Rahmen des Standardmodells extrapolierten Kopplungskonstanten nicht in einem Punkt treffen


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Dunkle Materie

Da die leichtesten Supersymmetrischen Teilchen stabil sein sollten sind sie ein aussichtsreicher Kandidat für die dunkle Materie


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Vorteile eines supersymmetrischen 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 Gravitation mit einbeziehen zu können


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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


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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 VorzeichensFehlende transversale EnergieMehrere Jets


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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)


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Wie werden die Vorhersagen im Experiment überprüft?

Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor

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Der Compact Muon Solenoid (CMS) Detektor


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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)


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Transverse slice through CMS detectorClick on a particle type to visualise that particle in CMS

Press “escape” to exit


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Halbleiterdetektoren

Prinzip: In Sperrrichtung betriebene Halbleiterdioden Durchgehendes Teilchen erzeugt Elektron Loch Paare Trennung im elektrischen Feld Die resultierende Spannungsänderung wird verstärkt und

detektiert


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Pixel Vertex Detektor

In 4cm Abstand von der Strahlachse Drei konzentrische Lagen aus Silizium Pixel Detektoren +

Scheiben für Frontrichtung=> Spuren bis |η|<=2,4

Pixel sorgen für hohe Ortsauflösung: 15 µm=> genaue Identifizierung von Sekundärvertizes


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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)


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Elektromagnetisches Kalorimeter

homogenes Kalorimeter bestehend aus 61000 PbWO4 Kristallen (kurze Strahlungslänge X0<1cm und hohe Strahlenhärte)

WW mit den Kristallen über Bremsstrahlung, Photoeffekt, Compton-Effekt, Paarbildung

Abwechselnd Paarbildung und Bremsstrahlung => Ausbildung elektromagnetischer Schauer

Die Energie des Primärteilchens ist proportional zur Intensität des Fluoreszenzlichts


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Hadronisches Kalorimeter

Sampling- (Inhomogenes) Kalorimeter:Schauermedium: Kupfer bzw. StahlNachweismedium: 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


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Der Myonen Detektor

Myonendetektor:Driftkammern gefüllt mit Ar-Co2 Gasgemisch

Beim Durchgang eines Myons ionisiert dieses das Gas Freigesetzte e- driften zur Anode Ort des Durchgangs lässt sich durch Messung der Driftzeit

berechnen da Beschleunigung erst nah beim Draht=>


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Transverse slice through CMS detectorClick on a particle type to visualise that particle in CMS

Press “escape” to exit


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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 KollisionenD.h. 1 Higgs pro Tag


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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


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Ausblick

Ende 2007: Beginn des Testlaufs bei noch niedriger Luminosität und mit einer geringeren Zahl an Teilchenpaketen im Strahl

Erprobung der Detektoren und des Beschleunigers

Beginn der physikalischen Experimente bei 14 TeV im April 2008

Massenkante könnte schon nach einem Monat Strahlzeit aus dem Untergrund treten

2008 wird also ein spannendes Jahr !

Noch Fragen?

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