Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Der LHC am CERN Das LHCb Experiment
Zielsetzung
Einführung ins Experiment
Suche nach Baryon+Leptonzahlverletzung bei LHCb
Motivation
Stand der Arbeit
N
LHC = „Large Hadron Collider“
Speicherring für Protonen und Bleikerne
Inbetriebnahme 2008/2009 nach 8 Jahren Bauzeit
Umfang ~ 27 km
E(pp) bis 14TeV möglich [ v/c(p) = 99,9999991 % ]
Baukosten ca. 3 Mrd. €
Leistungsaufnahme: 170 GW, ~800 GWh pro Jahr
Laufzeit bis 2030 geplant
Physikalische Motivation
Suche nach neuen Teilchen (z.B. Higgsboson)
Untersuchung von Materie-Antimaterie Unterschieden (CP-Verletzung)
Suche nach seltenen Teilchenzerfällen (siehe meine Diss.)
Schwerionenforschung (Quark-Gluon Plasmen)
Vorteile eines Protonencolliders gegen e+e--Collidern
Variable Schwerpunktsenergie: breites Spektrum von physikalischen Prozessen möglich
Hohe Ereignisrate bei pp-Kollision: große Zahl an Ereignissen ermöglicht Messung extrem seltener Prozesse (Prob~10-12)
der LHC ist eine Entdeckungsmaschine!
ATLAS: A Toroidal LHC ApparatuS (~7400 Mitglieder, 12 % dt. Anteil)
CMS: Compact Muon Solenoid (~5000 Mitglieder, 7 % dt. Anteil)
ATLAS und CMS suchen u.a. nach neuen schweren Teilchen in tiefinelastischen pp-Kollisionen
ALICE: A Large Ion Collider Experiment (~2100 Mitglieder, 12% dt. Anteil)
Kollision von Bleikernen bei E=1146 TeV ~ 1019 K,
Untersuchung von heißen und dichten Plasmen (Urknall)
59 Institute, 1135 Mitglieder, 15 Länder
Starke Beteiligung von England, Italien, Russland
Dt. Gruppen: Uni Dortmund, Uni Heidelberg, MPI Heidelberg, Rostock 87 Mitglieder
Zielstellung: Untersuchung von pp-Kollisionen bei geringen
Schwerpunktsenergien / hoher Rapidität
LHCb ist ein quasi-fixed-target Experiment
Hohe Produktionsrate von B und D Mesonen (~1011 / Jahr)
B und D Mesonen bieten ein breites Forschungsfeld:
„Neue Physik“ CP-Verletzung, seltene Zerfälle, Abweich. v. Standardmod.
Präzisionsmessungen bekannter Parameter
Es gibt 3(4) Wechselwirkungen Es gibt 2 Sorten von Teilchen:
Fermionen = Materieteilchen
Bosonen = Kraftteilchen Quarks kombinieren zu Mesonen und Baryonen Schwere Mesonen und
Baryonen (mit b und c Quark) Zerfallen in leichtere Teilchen
Messung von Zerfallsraten und Zerfallseigenschaften erlauben Rückschlüsse auf Wechselwirkungen
pp Kollision = WW der Quarks (Starke Kraft)
Gluon Fusion ist dominierender Streuprozess
Hartes Gluon ww mit weichem Gluon
Hadronisierung in Richtung des harten Gluons
P(b)~80GeV/c β = 0.996 s(b) = 7.5mm
u
d
u
u
u
d
p
p
b
b g g
Primärvertex (PV)
pp Kollisionsrate: f = 50 ns Ziel: 25ns
#(Protonen)/Bunch = ~1011
Zahl der sichtbaren pp-WW: µ=1.5 Strahlradius: 1 µm
Produktionsrate: L: instantane Luminosität: Produktionsraten:
A
A
~8cm
12332
104
scmA
NfL
eff
LN
50 ns
JahrBBN /10~)( 11
JahrDDN /10~)( 12
Kurzlebige (schwere) Teilchen zerfallen in langlebige Teilchen die im Detektor nachgewiesen werden können
Messung von Teilcheneigenschaften: Flugweg+Impuls, Energie und Geschwindigkeit
Magnet + Tracking System T: Flugweg, Impuls Kalorimeter Cal: Energie Cerenkov Detektoren CD: Geschwindigkeit Impuls + Geschwindigkeit Masse Teilchensorte Messbare Teilchen: e, µ, γ, π, K, p
p p
Akzeptanzbereich des Detektors 0.8° < θ < 17°
Seitenansicht
Spurrekonstruktion + Impulsmessung
Ionisierung in Halbleiterdioden beim Durchgang hochenergetischer geladene Teilchen „Hits“
Messung eines Spannungsanstieges
Viele Ebenen aus Pixeldetektoren ermöglicht Ortsauflösung der Spur (δ=4µm)
Krümmung der Spur im Magnetfeld Impulsmessung
Pixeldetektor
Geschwindigkeitsmessung
Hochenergetische geladene Teilchen ( v > c/n ) erzeugen Cerenkov-Lichtkegel in Materie
Messung des Öffnungswinkels Geschwindigkeit
vn
c
)cos(
RICH1
Energiemessung EM Hadonisch
Kalorimeter: geladene Teilchen und Photonen verlieren Energie in Kaskade von Sekundärteilchen
1. Absorber: dichtes Material mit geringer Strahlungslänge
2. Detektor: Messung der Sekundärteilchen ( e, γ )
1. ECAL: Absorbiert e± und hochenerg. Photonen
Bremsstrahlung:
Paarbildung:
Auflösung:
2. HCAL: Absorbiert primär Protonen und Pionen
Auflösung:
NeNe
NeeN
Absorberplatten
Nachweisdetektoren
Geladenes Teilchen
%9%70 EEE
%1%10 EEE
Bs Ds+ µ- , Ds+ K+ K- π+
Hohe Produktionsrate an B und D Mesonen Sehr gute Vertexauflösung: (δ=4µm) gutes Signal/Untergrund Verhältnis
Hohe Detektoreffizienz & geringe Totzeiten: ca. 90% aller Ereignisse werden aufgezeichnet
5-10 mm
Primärvertex
B/D-Meson-Vertex
Teilchenspuren
Motivation:
Es gibt eine Materie-Antimaterie Asymmetrie im Universum, die noch nicht erklärt werden kann
2003: WMAP misst Baryon/Photon Verhältnis:
Mögliche Erklärung:
▪ Der Großteil der Materie-Antimaterie hat sich kurz nach dem Urknall wieder gegenseitig vernichtet
▪ Ein winziger Anteil ist vorher Zerfallen, wobei CP und die Baryonzahl in diesen Zerfällen verletzt ist
1010)3.00.6(
n
nnBB d.h. von ca. 60 Mrd. Baryon-Antibaryon
Paaren bleibt ein Baryon übrig
1967 formuliert Andrei Sakharov drei Bedingungen für die Materie-Antimaterie Asymmetrie 1. Zerfälle mit Baryonzahlverletzung (BZV)
2. CP Verletzung in diesen Zerfällen
3. Thermisches Ungleichgewicht
Baryonzahlverletzung ist Bestandteil der großen Vereinheitlichen Theorien (GUT)
Baryon+Leptonzahlverletzung z.B. möglich durch „Leptoquarks“: Teilchen die in Lepton+Quark zerfallen Verbindung zw. Quarks und Leptonen (Supersymmetrie)
31le
32u
+
Urknall
Hadronen und Antihadronen bilden sich in gleicher Zahl
Paarvernichtung in Photonen -> kosmische Hintergrundstrahlung
ep
MM
Seltener Zerfall mit BZV
Erlaubter Zerfall
CP-Verletzung: entgegengesetzter Prozess ist seltener Materieüberschuss
Wegen des thermischen Ungleichgewichts finden Umkehrprozesse nicht/seltener statt
ep
epP( )< epP( )
Aufgrund der Unvollkommenheit des LHCb Detektors können nicht beliebige Zerfälle gesucht werden
Zerfall muss bestimmte Bedingungen erfüllen um ihn mit hoher Wahrscheinlichkeit bei LHCb zu messen 1. Betrachte Zweikörperzerfälle: geringer kombinatorischer
Untergrund, X Y+Z
2. Myon vorhanden: LHCb ist vor allem empfindlich auf Zerfälle mit Myonen, d.h. Suche nach Zerfällen mit X Y + µ
3. Mutterteilchen X sollte langen Flugweg (>1 mm) haben Trennung von Primärvertex und Zerfallsvertex von X
Weitere Kriterien: Schwere Quarks (s,c,b) im Mutterteilchen, möglichst keine „instabilen“ Tochterteilchen
Baryon Meson: Meson Baryon:
Alle Mutterteilchen sind langlebig und werden in großer Zahl bei LHCb produziert
Tochterteilchen sind hochenergetisch und werden im Detektor direkt nachgewiesen (hohe Effizienz)
K
Kb
pD
pB
0
0
)(
)(
)(
bud
sud
uudp
b
Bisher gibt es keinen einzigen Hinweis auf Protonzerfälle:
Jeder BZV Zerfall kann aufgrund der Energieerhaltung in einen Protonzerfall „umgewandelt“ werden, bspw.
Anhand der Protonlebensdauer von τ>1030 Jahre können Zerfallswahrscheinlichkeiten
berechnet werden nicht messbar!
Ansatz: bisher unbekannte Mechanismen erlauben BZV bei Zerfällen schwerer Quarks, wirken aber nicht bei den leichten Quarks im Proton
... YXp
00 BppB
300 10)( pBP
Einarbeitung in die LHCb Software Analyse von insgesamt 9 Kanälen mit BZV
geplant Computersimulierte Zerfälle wurden/werden
erzeugt um Auswahlkriterien zu entwickeln um Signal und Untergrund effektiv trennen zu können
Testen der Auswahlkriterien an erlaubten und kinematisch ähnlichen Vergleichskanälen
LHCb ist nach über 10 Jahren Planung erfolgreich gestartet und arbeitet zuverlässiger und effizienter als im Design geplant
LHCb liefert als erstes Experiment überhaupt die nötigen Vorraussetzungen (Statistik, Detektoreffizienz) um nach Baryon+Leptonzahl verletzenden Zerfällen zu suchen.
Danke für die Aufmerksamkeit!
Magnet: - 2 Polarisierungsricht.
- I = 6000A
- By <= 1 Tesla
August 1995: Letter of intent “A Dedicated LHC Collider Beauty Experiment
for Precision Measurements of CP-Violation” Februar 1998: Techical Proposal 2008: Fertigstellung des LHCb Detektors April 2008: Erste kosmische Myonen detektiert 10.09.2008: Erster Beam Tag -> 9 Tage später
Unfall 23.11.2009: Erste pp Kollisionen nach Unfall 30.03.2010: Erste Kollisionen mit E(pp)=7TeV 14.10.2011: 1 fb-1 aufgezeichnet bei LHCb
734 Mitglieder (Stand: 24.10.2011)
Große Gruppen: CERN (72), Lausanne(30), NIKHEF (45), Oxford, Liverpool, Barcelona (je 21)
Pierluigi Campana
Burkhardt Schmidt
Monica Pepe-Altarelli
Richard Jakobson
pp Kollisionen @ 40 MHz Output/t = 10 MHz
L0 - Trigger Output/t = 1 MHz
HLT - Trigger
Festplatte (DST)
Output/t: L1 = 40kHz / L2 = 3 kHz
Stripping Analyse
Offline
Online
Online Datennahme: Signaleff. > Bkg-Reduzierung
Triggern auf B und D Events
Nutze Vertex und Pt Infos
L0 – Trigger (Hardware):
Velo
E+HCAL
μ-Kammern
L0 Decision unit
HLT (Software)
20‘000 Recheneinheiten
L1: partielle Rekonstruktion
L2: vollst. Rekonstruktion
14.10.2011: Aufgezeichnete Luminosität > 1 fb-1