Perspektiven der experimentellenHochenergiephysik - Teil 1

135.284

Claudia-Elisabeth Wulz

Institut für Hochenergiephysik derÖsterreichischen Akademie der Wissenschaften

c/o CERN/EP, CH-1211 Genf 23

Tel. 0041 22 767 6592, GSM: 0041 79 201 0919E-mail: Claudia.Wulz@cern.ch

http: //home.cern.ch/~wulz

Nov. 2001

Literatur

Theorie:M. Treichel: Teilchenphysik und Kosmologie, Springer-Verlag (2000)D. Griffiths: Introduction to Elementary Particles, J. Wiley and Sons (1987)

Allgemein: B.R. Martin, G. Shaw: Particle Physics, J. Wiley and Sons (2nd ed. 1997) D. H. Perkins: Introduction to High Energy Physics, Cambridge U. Press (4th edition, 2000)

Detektoren:W. R. Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments,Springer-Verlag (2nd ed. 1994)

Webseiten

Einführungen in die Teilchenphysik:

http://www.cpepweb.org/particles.htmlhttp://particleadventure.org/particleadventure/index.htmlhttp://hepwww.rl.ac.uk/Pub/Phil/ppintro/ppintro.htmlhttp://www2.slac.stanford.edu/vvc/home.html

Für Physiker/Studenten:

http://training.web.cern.ch/Training/ACAD/acad0_E.htmlhttp://pdg.lbl.gov/

Hochenergiephysik=

Elementarteilchenphysik

•

•

• Frage nach dem Aufbau und Zusammenhalt der Materie• Lehre von Teilchen und ihren Wechselwirkungen

HochenergiephysikMan benötigt umso höhere Energien, je kleiner die zu erforschenden Dimensionen sind.

l 1/GeV 0.2 . 10-15 m1/4 der Ausdehnung des Protons

Wichtige Einheiten und Größenh … Planck’sches Wirkungsquantum

h = h/2 = 6.6 . 10-22 MeVs1 eV = 1.6 . 10-19 Ws … Energieeinheit

Masse des Protons: 938 MeV/c2

Anmerkung: c bzw. h werden oft 1 gesetzt, so daß MeV bzw. GeV Energie, Impuls oder Masse darstellen können.

p l≥ hHeisenberg'sche Unschärferelation

Die fundamentalen KräfteDie fundamentalen Kräfte

KRAFT REICHWEITE VERMITTLER

Stark

Schwach

Elektromagnetisch

Gravitationell

Gluon

Photon

W, Z

Graviton

10-15 m

10-18 m

Die starke Wechselwirkung

Sie hält Atomkerne zusammen.

Teilchen, die eine starke Wechselwirkung besitzen, heißen HADRONEN. Sie sind aufgebaut aus QUARKS.

Die starke Wechselwirkung kommt durch den Austausch von Teilchen zwischen den Quarks zustande. Diese heißen GLUONEN.

Weder Gluonen noch Quarks existieren jedoch als freie Teilchen (“CONFINEMENT”).

Die starke Wechselwirkung

Gluonen und Quarks tragen Farbladung (“COLOR”) QUANTENCHROMODYNAMIKSichtbare Teilchen sind jedoch farbneutral.

u d Proton

u

d u d u u d u dd

+ Neutron

d

Das Quarkmodell

Elementare Bausteine der Materie:

Quarks in 3 "Flavors"

1964: Gell-Mann, Zweig

Das Quarkmodell

s = 1

Q = -2/3 Q = 1/3

s

s =0u d

Antiquarks

Q = -1/3

d u

Q = 2/3

s =0

s = -1 s

Quarks

Mesonen, Baryonen

Q

QQ Jedes Baryon besteht aus 3 Quarks.

Q

QJedes Meson besteht aus 1 Quark und 1 Antiquark.

Der achtfache Weg

K0 (ds) K+ (us)

(du) (ud)

(uu,dd,ss)

(su) (sd)

MesonenoktettMesonenoktett

- -

- -

- -

- - -

(uu-dd)/√2(uu+dd-2ss)/√6’(uu+dd+ss)/√3

’: 3 + 3 = 1 + 8

- -- - -- - -

-

Der achtfache Weg

n (udd) p (uud)

(dds) (dds) (uds)

(uds)

(dss) (uss)

BaryonenoktettBaryonenoktett

hat gleichen Quarkgehalt wie Proton, aber verschiedenes Energieniveau, analog H-Atom in verschiedenen Anregungs-zuständen.

Der achtfache Weg

BaryonendekuplettBaryonendekuplett

(ddd) (udd) (uud) (uuu)

(dds)

(dss)

(sss)

(uss)

(uus) (uds)

Quarks: Spin 1/2!Pauli-Prinzip-> COLOR(O.W. Greenberg)

Die schwache WechselwirkungDie schwache Wechselwirkung

Sie tritt z.B. beim radioaktiven -Zerfall auf:

n → +p e-+νeTeilchen ohne starke Wechselwirkung heißen LEPTONENLEPTONEN (z.B. Elektron, Müon, Neutrino). Die schwache Wechselwirkung wird durch die INTERMEDIÄREN VEKTORBOSONENINTERMEDIÄREN VEKTORBOSONEN (W±,Z) vermittelt. Diese sind fast 100 mal so schwer wie das Proton und wurden 1983/1984 an den Experimenten UA1 und UA2 des CERN SppS-Colliders entdeckt. Carlo Rubbia und Simon van der Meer bekamen für ihre entscheidenden Beiträge den Nobelpreis.

Das Standardmodell

Glashow, Salam, Weinberg (1978)3 Familien (Generationen) von Quarks und Leptonen:

eνe

( ) ν

( ) ν

( ) + Antiteilchen 12 Leptonen

ud( ) c

s( ) tb( )[ + Antiteilchen ] x 3 Farben 36 Quarks

4 Vermittlerteilchen der elektroschwachen Wechselwirkung:3 I.V.B. (W±, Z) + 1 Photon ()

8 Vermittlerteilchen der starken Wechselwirkung:8 Gluonen (g)

Das Standardmodell

Alle existierenden Daten werden sehr gut durch das Standardmodell beschrieben. Jedoch ist die Frage der Teilchenmassen ungeklärt! Im Standardmodell existiert ein Teilchen, das den Mechanismus erklärt, durch den Teilchen Massen erhalten - das Higgs-Boson.

Bau des Large Hadron Colliders (LHC) ist notwendig! Strahlenergie: 2 x 7 TeV p-p

Entdeckung könnte bei LEP gemacht worden sein, jedoch Signifikanz nicht hoch genug. Im Rahmen der Supersymmetrie könnte es auch mehrere Higgse sowie supersymmetrische Partner der bekannten Teilchen geben (Squarks, Sleptonen, Gluinos etc.).

Quellen hochenergetischer Teilchen1950: Einzige Quelle hochenergetischer Teilchen war die Höhenstrahlung (kosmische Strahlung) Entdeckung von Positronen und Pionen.Heute: fast ausschließlich Teilchenbeschleuniger in Verwendung. Vorteil: nur 1 Projektil mit bekannter Energie.Fixed-Target-Experiment: stationäres Target

Collider-Experiment: gegenläufige Teilchenstrahlen

In beiden Fällen werden erzeugte Teilchen durch ihre Wechselwirkung mit Materie nachgewiesen Detektoren

LinearbeschleunigerSpeicherring

Teilchenbeschleuniger

Elektromagnetische Kräfte werden benützt, um stabile, geladene Teilchen zu beschleunigen. Es wird eine Quelle benötigt, z.B. Glühkathode oder Ionenquelle.

- Linearbeschleuniger (LINACs)- Zirkularbeschleuniger (Synchrotrone)

Synchrotrone:“Kreisbahn” durch Anordnung von Dipolmagneten (Ablenkmagneten), Beschleunigung durch Hochfrequenzkavitäten. Zur Strahlfokussierung werden Quadrupol- bzw. Sextupolmagneten (Fokussiermagneten) verwendet.

Prinzip der Beschleunigung

Elektromagnetische Welle von oben gesehenrot +, blau -

Elektromagnetische Welle bewegt sich fort und nimmt Teilchen mit

Elektromagnetische Welle

Positiv geladene Teilchen in der Nähe des Maximums der Welle erfahren die größte Kraft nach vorne; die in der Nähe des Umkehrpunktes die kleinste. Als Folge davon tendieren die Teilchen dazu, sich zusammen mit der Welle fortzubewegen.

Schema eines Synchrotrons

Super-Proton-Synchrotron des CERN

Sextupolmagnet

LHC-Teststandmit Dipolen

Querschnitt eines LHC-Doppeldipols

Schwerpunktsenergie - Laborenergie

Schwerpunktssystem (Centre of Mass Frame):p = pi = 0 ECM = Wc2

W2c4 = E2 - p2c2

W … invariante Masse einer Menge von TeilchenE, p … Gesamtenergie und -impuls

z. B. Teilchenstrahl aus Teilchen mit Masse mS, der auf ein Target mit Masse mT trifft und den Impuls pL hat. Das Target ist in Ruhe, somit ist pT = 0.Teilchenenergien im Laborsystem:

EL = √mS2

c4 + pL2

c2 ET = mT c2

W2 c4 = (EL + mT c2 )2 - pL

2 c2 = mS

2 c4 + mT

2 c4 + 2 mT c2 EL

ECM = √mS2

c4 + mT2

c4 + 2 mT c2 EL

Fixed-Target-Beschleuniger und Collider

ECM … Schwerpunktsenergie, EL … LaborenergiepCM = 0 … Schwerpunktsimpuls,

mS … Masse des Strahlteilchens, mT … Masse des Targetteilchens

Fixed -Target-Beschleuniger Speicherring

ECM = √mS2

c4 + mT2

c4 + 2mT2

c2 EL ECM = 2 EL

ECM ~ √ EL

viele Teilchen nur stabile, geladenehohe Luminosität Teilchen,

niedrigere Luminosität

Collider

Beschleunigung und Speicherung für gleiche Teilchen mit entgegengesetzter Ladung in ein und demselben Magnetring (Speicherringe).

Beschleunigung bis zur Maximalenergie, Extraktion auf ein stationäres Target (fest oder flüssig).Primärstrahlen: stabile geladene Teilchen (z.B. p, e±)Sekundärstrahlen: neutrale oder instabile Teilchen (z.B. , , ν).

Fixed-Target-Beschleuniger

Erzeugung von Sekundärstrahlen

Zur Beschleunigung eignen sich nur stabile, geladene Teilchen. Jedoch braucht man auch neutrale (z.B. g) oder instabile Teilchen (z.B. ±). Diese können erzeugt werden, indem man einen Primärstrahl auf ein Metalltarget lenkt. Bei den Reaktionen mit den Kernen des Targets werden neue Teilchen erzeugt, die dann analysiert werden können.

Beispiel 1: +-Strahl +

+p

X

Y

+

Kollimator

elektrostat.u. magnet.

Felder

monoenergetischer Strahl

schweresTarget

Erzeugung von Sekundärstrahlen

Beispiel 2: ν-Strahl

+ ν

+ sowie noch nicht zerfallene ± werden in einem langen Absorber absorbiert. Keine Impulsselektion ist jedoch möglich!

± νlanges

Vakuumrohr Absorber

Teilchenbeschleuniger

KEK, Japan p 12SLAC, Stanford, Cal. e- 25PS, CERN, Genf p 28AGS, Brookhaven, NY p 32Serpukhov, Rußland p 76SPS, CERN, Genf p 450Tevatron, Fermilab, Ill. p 1000

Fixed-Target-Maschine Teilchenart Strahlenergie/GeV

CESR, Cornell, NY e+(6) e-(6)PEP, Stanford, Cal. e+(15) e-(15)TRISTAN, Japan e+(32) e-(32)SLC, Stanford, Cal. e+(50) e-(50)LEP, CERN, Genf e+(60) e-(60)SppS, CERN, Genf p(450) p(450)Tevatron II, Fermilab, Ill. p(1000) p(1000)HERA, Hamburg e-(30) p(820)LEP-200, CERN, Genf (bis 2000) e+(100) e-(100)LHC (2006), CERN, Genf p(7000) p(7000) u.a.

Collider Teilchenart(Strahlenergien/GeV)

Synchrotronstrahlung

Synchrotronstrahlung pro Umlauf:

43εο

Ε= q2 β3 γ4

ρ

Für ≈ 1 (v ≈ c) mit E = mc2 ist E ~ 1/m4 hoher Energieverlust für Elektronen, deshalb haben in der Praxis konventionelle Elektronenbeschleuniger maximal ca. 100 GeV pro Strahl.

= v/c, = (1-2)-1/2

… Krümmungsradius der Umlaufbahn

Teilchenbeschleuniger

Impuls eines geladenen Teilchens im Magnetfeld:

Konventionelle Elektromagneten: Bmax ≈ 1.5 TSupraleitende Magneten: Bmax ≈ 10 T

Aus obiger Formel wird ersichtlich, warum große Radien für große Strahlimpulse erforderlich sind. Die Synchrotronstrahlung spielt ebenfalls eine Rolle.

… Krümmungsradius in MeternB … Magnetfeld in Tesla

p = 0.3 B

Luminosität

L … Luminosität in cm-2 s-1 , R … Kollisionsrate in s-1

… Strahl-Strahl-Wirkungsquerschnitt in cm2

R = L

Beispiel Teilchen-Antiteilchen-Speicherring (pp, e+e-):

1 Vakuumröhre bei gleichem magnetischem Führungsfeld.N … Anzahl der Teilchen pro Paket (“bunch”)Bei je 1 Paket gibt es 2 Kollisionspunkte. In jedem Kollisionspunkt (“Interaction Region”) treten Zusammenstöße mit der Frequenz f ≈ c/u auf, wobei u der Umfang des Speicherringes ist.

Dann ist die Luminosität in einem Kollisionspunkt durch folgende Formel gegeben:

nbunch … Anzahl der Pakete, N± … Anzahl der Teilchen pro Paket A … Strahlfläche bei kompletter Überlappung

L A Fokussiermagneten (Quadrupole) “low region” ( ~ Strahlenvelope).Teilchenoszillationen in vertikaler und horizontaler Richtung zur idealen Bahn: Betatronschwingungen. Longitudinale Schwingungen relativ zur Bewegung eines idealen Teilchens (phasengleich zum Hochfrequenzfeld):Synchtotronschwingungen.

L = f nbunch

N+N-

A

Luminosität

Typische Luminositäten für Collider

Beschleuniger Teilchen L/cm-2s-1

SLC (Stanford) e+ e- 0.35x1030

LEP (CERN) e+ e- 2x1031

HERA (DESY) e- p 1.6x1031

SppS (CERN) p p 6x1030

Tevatron (Fermilab) p p 2x1032 *)

KEKB (Tsukuba) e+ e- 1x1034

PEP II (Stanford) e+ e- 3x1033

LHC (CERN) p p 1x1034

*) mit Main Injector, ohne 2x1031

1033 “TeV33”

Beschleunigerkomplex des CERN

LHC/LEP

SPS

Beschleunigerkomplex des Fermilab

Tevatron

Main Injector

Beschleunigerkomplex des Fermilab

Tevatron

Main Injector

Beschleunigerkomplex des SLAC

Beschleunigerkomplex des SLAC

Beschleunigerkomplex des KEK

Teilchennachweis

Erzeugte Teilchen werden nachgewiesen durch:

Wechselwirkung mit dem Detektormaterial Starke Wechselwirkung für Hadronen Schwache Wechselwirkung für Neutrinos Erzeugung neuer Teilchen bei genügend

großer Energie Ionisierung von Atomen (geladene Teilchen) Abgabe von elektromagnetischer Strahlung (geladene Teilchen) -> e+e-

Wechselwirkung mit Atomkernen

Kurze Reichweiten.z.B. mit einfachstem Kern, dem Proton:

Elastische Streuung:z.B. - + p -> - + p

Inelastische Streuung:z.B. - + p -> + + - + 0 + n- + p -> K0 +

Wechselwirkung mit Atomkernen

Totaler Wirkungsquerschnitt

tot = el + inel

tot = el + q + inel (für größere Kerne)

inel … groß bei hohen Energien

tot ≈ (10…100) mb (1 mb = 1 millibarn = 10-27 cm2)

q … Wirkungsquerschnitt für quasielastische Streuung

(elastische Streuung an Nukleonen)Rückstoß -> Kernabstoßung -> Anregung bzw. Spaltung

tot und el für - + p

tot = (10 … 100) mb

tot ≈ r 2 ≈ 30 mb für r ≈ 10-15 m

p (GeV/c)

(m

b)

tot

el

10110-1 102 103

10

100

Wechselwirkung mit Atomkernen

KollisionslängeWahrscheinlichkeit (Pc) für eine Hadron-Kern-Wechselwirkung in dünner Schicht mit Dicke dx.Pc = n tot dx (n = NA/A … Kerne pro Einheitsvolumen)A … Molmasse (g/mol), … Dichte (g/cm3),NA … Avogadrozahl (6.022 . 1023 / mol)

Mittlere freie Weglänge (“Kollisionslänge”): lc = 1/n tot

Absorptionslänge (“Interaktionslänge”)

a (la ) = 1/n inel

Kollisions- und Absorptionslängen werden auch oft in g/cm2 angegeben:

lc’ = A/NA tot = lc, la’ = A/NA inel = la

Atomic and Nuclear Properties of Materials

Particle Data Group (http: //pdg.lbl.gov)

Ionisation

Alle geladenen Teilchen betroffen. Für mittlere Energien (200 GeV max.) dominieren Ionisationsverluste durch Coulombstreuung an Hüllenelektronen. Die Bethe-Bloch-FormelBethe-Bloch-Formel (hier für Teilchen mit Spin 0 und Ladung ±e) gibt den mittleren Energieverlust an:

x … zurückgelegte Wegstrecke im Mediumme … ElektronmasseZ … OrdnungszahlI … mittleres Ionsationspotential … dielektrischer Abschirmfaktor (nur für hochrelativistische

Teilchen wichtig)ne … Elektronendichte des Mediums (ne = NAZ/A)D … 42h2 / me = 5.1.10-25 MeVcm2

dE DZ2 2mec222 ( )

dx=

2 ne[ ln I- β2 -

2 ]

Ionisationsenergieverlust für ± und p in Blei

(dE/dx)min ~ e2 Suche nach freien Quarks!

20

15

0.1 1 10 100p (GeV/c)

-dE

/dx

(MeV

/cm

)

Minimalionisierung ( ≈ 3-4)

2

Relativistischer Anstieg

Strahlungsverluste

- dE/dx = E/X- dE/dx = E/Xoo E = EE = Eoo exp(-x/X exp(-x/Xoo))

1Xo

4Z(Z+1)NA

A [ln(183Z-1/3 )]e2

mec2

Geladene Teilchen werden im Kernfeld abgebremst bzw. beschleunigt Abstrahlung von Photonen Energieverlust (Bremsstrahlung). Vor allem wichtig für Elektronen und Positronen.

(für relativistische Elektronen mit E >> mc2 / Z1/3).X0 … Strahlungslänge

(wichtig bei der Konzeption von elektromagn. Kalorimetern!)

e-

e-

Kern

e-

e-

[ ]2

Strahlungsverluste

Für hohe Energien sind die Strahlungsverluste proportional zu E/m2. Aus der Bethe-Bloch-Formel geht hervor, daß die Ionisationsverluste nur schwach von der Masse und Energie des Projektils abhängen (bei hohen Energien).

Strahlungsverluste dominieren für Elektronen und Positronen.

Ec … kritische Energie = Energie, bei der Strahlungsverluste undIonisationsverluste für Elektronen gleich sind

Element Z Xo/cm Ec/MeVH (26 K) 1 1000 340C 6 18.8 103Al 13 8.9 47Fe 26 1.8 24Pb 82 0.56 7

600Ec ≈ MeV Z

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Annahme: Monoenergetischer Photonenstrahl mit I Photonen pro Sekunde, der durch ein Material der Dicke x durchgeht. Dann ist der Energieverlust gegeben durch:

dI = - I dx/dI = - I dx/ I = II = I00 exp (-x/ exp (-x/

= 1/n= 1/n

... mittlere freie Weglänge vor Absorption oder Streuung … totaler Photon-Wechselwirkungsquerschnitt mit einem Atom

n … Kerne pro cm3

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Beiträge zu Photoelektrischer Effekt (Absorption durch Atom, Emission eines Elektrons) (~ Z5/E)Comptoneffekt(Photonstreuung an Hüllenelektronen) (~ Z/E)Paarerzeugung (im Kernfeld oder Hüllenelektronfeld) (~ Z2)

n X

oPaarerzeugung ≈

9 X0/7 … Konversionslänge 7 x

9 X0

Bei hohen Energien wird Photonabsorption, genauso wie der Strahlungs- verlust von Elektronen, durch die Strahlungslänge charakterisiert.

I = I0 exp ( )

Photon-Wechselwirkungsquerschnitte für ein Blei-Atom

a) Photoeffektb) Comptonstreuungc) Paarerzeugung im Feld der Hüllenelektronend) Paarerzeugung im Kernfeld

d

a b

c

10- 4 10- 2 1 102

102

10

1

10- 2

E / GeV

/ b