1 Das CMS-Experiment Hauptseminarvortrag am 15.12.2006 Alexander Wiegand.
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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
Das CMS Experiment - 1. Einführung
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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)
Das CMS Experiment - 1. Einführung
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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
Das CMS Experiment - 1. Einführung
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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
Das CMS Experiment - 1. Einführung
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Die Beschleunigerrohre
1232 supraleitende Dipolmagnete die bei 1,9 K arbeiten und Magnetfelder von 9 Tesla erzeugen werden
Das CMS Experiment - 1. Einführung
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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.
Das CMS Experiment - 1. Einführung
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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
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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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)
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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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
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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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
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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Grundzustand im Higgsmechanismus
Grundzustand symmetrisch Bei hohen Energien eindeutiges Minimum Für niedrige Energien mehrere mögliche Endzustände
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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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
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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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
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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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
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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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
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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Dunkle Materie
Da die leichtesten Supersymmetrischen Teilchen stabil sein sollten sind sie ein aussichtsreicher Kandidat für die dunkle Materie
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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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
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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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
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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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
Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente
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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)
Das CMS Experiment - 1. Einführung
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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
Das CMS Experiment - 3. Der 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)
Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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Transverse slice through CMS detectorClick on a particle type to visualise that particle in CMS
Press “escape” to exit
Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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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
Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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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
Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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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)
Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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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
Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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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
Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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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=>
Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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Transverse slice through CMS detectorClick on a particle type to visualise that particle in CMS
Press “escape” to exit
Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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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
Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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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
Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor
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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?