Vorstoß zu neuen Energien - Server der Fachgruppe Physik der ...
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<strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong><br />
Das Entdeckungspotential<br />
<strong>zu</strong>künftiger CERN Experimente<br />
Kerstin Hoepfner<br />
RWTH Aachen, Institut IIIA<br />
kerstin.hoepfner@physik.rwth-aachen.de
Überblick<br />
... dringt in Energiebereiche vor,<br />
die nie <strong>zu</strong>vor ein Mensch gesehen<br />
hat [Star Trek]<br />
Die Mitspieler: Beschleuniger &<br />
Experimente<br />
Suche 1: Das inkomplette<br />
Standardmodell<br />
Suche 2: Sind neue Teilchen <strong>der</strong><br />
Ursprung <strong>der</strong> dunklen Materie<br />
Suche 3: Ursache für Materie-<br />
Antimaterie Asymmetrie<br />
Suche 4: Ein neuer Materie<strong>zu</strong>stand:<br />
Quark-Gluon-Plasma<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 2
CERN Beschleuniger<br />
LEP<br />
(1989-2000;<br />
e + e - )<br />
Large Hadron<br />
Colli<strong>der</strong> (LHC)<br />
(>2007; p p)<br />
27 km Umfang<br />
200 GeV � 14000 GeV<br />
~ 1000 x höhere Energie<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 3
Abbau des LEP Beschleunigers<br />
CERN GE-0012011-02<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 4
Abbau des LEP Beschleunigers<br />
CERN GE-0202024-02<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 5
Supraleitende LEP Kavitäten<br />
CERN GE-0105010-03<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 6
Warum noch höhere <strong>Energien</strong>?<br />
σ [mb]<br />
Wirkungsquerschnitt<br />
steigt mit Energie<br />
E[GeV]<br />
z.B. top Produktion m top~175 GeV<br />
Beschleuniger<br />
LEP (~200 GeV)<br />
Tevatron (2 TeV)<br />
LHC (14 TeV)<br />
Höhere <strong>Energien</strong><br />
= Bessere<br />
Vergrößerung<br />
Anzahl erzeugter tt<br />
~10 2<br />
~10 6<br />
Seltenere Effekte<br />
und schwerere<br />
Teilchen<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 7<br />
0
CERN: Large arge Hadron adron Colli<strong>der</strong> olli<strong>der</strong><br />
L=10 34 cm -2 s -1<br />
Proton-Proton<br />
9 km<br />
s = 14TeV<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 8
Herzstück des LHC<br />
Supraleitende Dipolmagnete<br />
Größte Herausfor<strong>der</strong>ung B = 9 Tesla<br />
1300 Stück, jeweils 15m lang<br />
He gekühlt auf T=2K<br />
2 getrennte Strahlröhren<br />
Testanlage<br />
für Dipole<br />
Momentan stabile Produktion<br />
Erwartete Fertigstellung 2006<br />
(LHC und und Experimente)<br />
1.<strong>Physik</strong>alische<br />
Daten 2007<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 9
Die Herausfor<strong>der</strong>ung des LHC<br />
Untergrund<br />
Totaler inelastischer<br />
Wirkungsquerschnitt<br />
σ ≈ 100 mb<br />
SIGNAL<br />
Strong<br />
Punktförmiger<br />
Wirkungsquerschnitt<br />
σ ≈ 1 pb<br />
Electroweak<br />
109 Wechselwirkungen/sec.<br />
1011 Teilchen/sec. = Untergrund<br />
Nachweisbares Signal z.B.<br />
1 H0 pro 1014 10<br />
Ereignisse<br />
9 Wechselwirkungen/sec.<br />
1011 Teilchen/sec. = Untergrund<br />
Nachweisbares Signal z.B.<br />
1 H0 pro 1014 Ereignisse<br />
p<br />
p<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 10<br />
Wirkungsquerschnitt (pp)<br />
Ereignisse/s für L=10 34 cm -2 s -1
Auswirkung auf Detektordesign<br />
Überlagerung interessanter Ereignisse<br />
mit ~1000 Spuren � ~ 25 min.bias<br />
Ereignisse / BX<br />
10 9 Kollisionen pro Sekunde, 40 MHz<br />
d.h. alle 25 ns 1 BX<br />
Impakt auf das Detektordesign<br />
�� Schnelle Response von von Detektor und und<br />
Ausleseelektronik<br />
�� Feine Granularität für für niedrige Belegungsdichte<br />
pro pro Zelle �� große Kanalzahl, hohe Kosten<br />
�� Strahlenhärte �� neue Technologien<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 11<br />
p<br />
p<br />
Simuliertes Higgs<br />
Ereignis (CMS)<br />
1 Ereignis<br />
alle 25 ns
Standard Detektor<br />
� Konzentrische Ringe um die<br />
Wechselwirkungszone<br />
� Auffächern <strong>der</strong> Spuren � höhere<br />
Belegungsdichte <strong>der</strong> inneren<br />
Detektoren � feinere Granularität<br />
� B-Feld <strong>zu</strong>r Impulsmessung<br />
Detektor<br />
Typisch<br />
~20 meter<br />
Strahlrohr<br />
Spurdetektoren<br />
Magnet<br />
ECAL<br />
HCAL<br />
Myon System<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 12
Die Vier Mitspieler<br />
ATLAS<br />
Bonn, Dortmund, Freiburg, Heidelberg,<br />
Mainz, Mannheim, München, MPI<br />
München, Siegen, Wuppertal<br />
LHCb<br />
Dresden, Heidelberg, MPI Heidelberg<br />
CMS<br />
Aachen, Karlsruhe<br />
ALICE<br />
GSI Darmstadt, Frankfurt, Heidelberg,<br />
Kaiserslautern, Köln, Mannheim,<br />
Münster, Worms<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 13
Raum für die Experimente...<br />
CMS: Der Anfang im Februar 1999<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 14
Unterirdisch im August 2000<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 15
.... im Jahr 2003<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 16
ATLAS Kaverne<br />
Abbildung aus 2001<br />
2003 an Experiment<br />
übergeben<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 17
Suche 1: Das inkomplette<br />
Standardmodell<br />
Suche nach dem Higgs<br />
Boson mit ATLAS und<br />
CMS
Unser Wissen<br />
Standardmodell <strong>der</strong> Teilchenphysik (SM):<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
L<br />
Fundamentale Teilchen in 3 Familien<br />
ν e ⎞ ⎛ν<br />
µ ⎞ ⎛ν<br />
τ<br />
e<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎟<br />
µ ⎠<br />
L<br />
⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ τ ⎠<br />
L<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 19<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
u<br />
d<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
L<br />
⎛c<br />
⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ s ⎠<br />
Leptonen Quarks<br />
L<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
t<br />
b<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
L
Was fehlt: fehlt:<br />
Massenerzeugung<br />
Problem:<br />
Massenerzeugung unklar<br />
� Theoretischer Ansatz: skalares<br />
Hintergrundfeld (Higgs)<br />
� Kopplung Fermionen an Higgsfeld �<br />
Massiv<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 20<br />
0<br />
V (Φ)<br />
Spontane<br />
Symmetriebrechung<br />
Φ
Feld und Teilchen<br />
Elektromagnetisches Feld Photon<br />
Higgs Feld Higgs Teilchen<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 21<br />
H<br />
Boson<br />
Spin = 0<br />
m = ?
Wie findet man ein Higgs ?<br />
Neues Teilchen?<br />
Zerfallssignatur<br />
und Kinematik<br />
Anfor<strong>der</strong>ungen<br />
an an Detektor<br />
Charakteristische Zerfallssignatur<br />
H → γ γ<br />
H<br />
H<br />
→<br />
ZZ<br />
→W<br />
(*)<br />
W<br />
→l<br />
±<br />
l<br />
m<br />
→lνlν<br />
;<br />
lν<br />
j<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 22<br />
j<br />
Bsp:<br />
Zerfall in<br />
4 Myonen
Anfor<strong>der</strong>ungen an Myon Nachweis<br />
• Myon-ID durch Absorption und Spurrekonstruktion im Myonsystem<br />
• Ladung Krümmung im B-Feld, Tracker und Myonsystem<br />
• Myon p T Tracker (~1%) und Myonsystem (~10%) + Alignment<br />
• Akzeptanz Tracker und Myonsystem<br />
• Effizienz ε Higgs = ε µ 4<br />
H<br />
→ ZZ→µ<br />
µ µ µ<br />
+<br />
−<br />
+<br />
−<br />
pT<br />
pT<br />
?<br />
+<br />
µ<br />
− µ<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 23<br />
µ<br />
?<br />
±
Teilchennachweis<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 24
CMS Myon System<br />
Barrel: DT + RPC<br />
Alignment<br />
System<br />
Endkappen (CSC + RPC)<br />
Doppellagige RPC<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 25
ATLAS Präzisionsdriftröhren<br />
3 Bar Kaum Vielfachstreuung � sehr hohe Auflösung<br />
Geringere Spurkrümmung � höhere Präzision bei Messung + Alig.<br />
Muon mit p T=1 TeV/c hat ~750 µm Sagitta<br />
→ 10% Impulsauflösung benötigt 75 µm Genauigkeit<br />
Präzisionsdriftröhren mit 3 Bar<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 26
Funktionsprinzip Driftröhren<br />
Konstante Drift<br />
E ~ 2 kV/cm<br />
v = 55 µm/ns<br />
Anoden Draht<br />
+3.7kV<br />
Feldformende Elektroden<br />
+1.8 kV<br />
50 e<br />
Myon<br />
Gasverstärkung<br />
E~1/r � 150 kV/cm<br />
A ~ 10<br />
Kammer = 1 Tracking Station<br />
2 x 4 Lagen in (r,φ) Ebene<br />
4 Lagen in (r,z) Ebene<br />
5<br />
Kathode<br />
-1.2 kV<br />
ArCO 2 85%-15%<br />
Auflösung ~100 µm<br />
pro Spurstation<br />
Aachen<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 27
Impuls Messung<br />
Aufgabe:<br />
1) Unterdrückung <strong>der</strong><br />
Untergrund-Spuren<br />
B r<br />
2) Rekonstruktion <strong>der</strong><br />
Ereigniskinematik<br />
Neutrales<br />
Teilchen Geladenes Teilchen<br />
hoher Impuls<br />
SIGNAL<br />
Geladenes Teilchen<br />
niedriger Impuls<br />
UNTERGRUND<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 28
Genauigkeit <strong>der</strong> Impulsmessung<br />
∆p<br />
p<br />
12 lagen mit digitaler (pitch / √12)<br />
Ortsauflösung geben eine<br />
Impulsauflösung von:<br />
⎛ pitch ⎞<br />
≈ 0.<br />
12⎜<br />
⎟<br />
⎝100µ<br />
m⎠<br />
Sagitta<br />
(Spurkrümmung)<br />
1<br />
⎛1.<br />
1<br />
⎜<br />
⎝ L<br />
m<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
Spur<br />
4T<br />
B<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
L<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
p<br />
Tev<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
B r p T <strong>zu</strong> niedrig<br />
Sagitta einer 1 TeV Spur = 180 mu<br />
∆p/p [%] im Tracker<br />
CMS<br />
Pt = 1 TeV � 0.1<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 29
Messung mit Silizium Spurdetektor<br />
ATLAS<br />
Outer Barrel Silicon<br />
ALICE CMS<br />
LHCb<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 30
Funktion von Siliziumdetektoren<br />
� Ortsinformation durch Segmentierung einer (i.a. p + ) Seite in Streifen o<strong>der</strong> Pixel<br />
Streifenabstand 20 - 200 mu. Länge bestimmt von Wafer Dimension.<br />
� Typische Dicke Sensor ~300 mu<br />
� Substrat n-dotiert, Übergang <strong>zu</strong> einer p+ Schicht, Rückseite n++ dotiert mit<br />
Kontaktierung <strong>zu</strong>r Metallelektrode<br />
300 - 500 µm<br />
Al Al<br />
Silizium-Oxid<br />
n-Bulk<br />
n + Schicht<br />
p p<br />
Al-Rückseite<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 31<br />
Al<br />
p<br />
- +<br />
-<br />
-<br />
+<br />
+
Wachsende Größe & Kanalzahl<br />
Vertexdetekoren von gestern (Si-Streifen) sind die Tracker von heute<br />
ALEPH Vertex<br />
ca.1990<br />
BaBar Tracker<br />
ca. 1995<br />
CMS Tracker<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 32
Rekord: CMS Silizium Tracker<br />
CERN,<br />
FNAL<br />
INFN<br />
2,4 m<br />
Inner Disks<br />
Inner Barrel<br />
206 m2 Silizium Sensoren (158 m2 + 48 m2 )<br />
6136 dünne + 9096 dicke Silizium Detektoren<br />
~10 Mill. Auslesekanäle mit 75376 APV chips<br />
~26 Mill. Bonds<br />
Outer Barrel<br />
5.4 m<br />
End cap<br />
Aachen, Karlsruhe<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 33<br />
Pixel
Suche 2: Könnte dunkle<br />
Materie aus unbekannten<br />
Teilchen bestehen ?<br />
Die Suche nach<br />
supersymmetrischen Teilchen<br />
mit ATLAS und CMS
Hinweis Nr.1: Galaxien drehen falsch<br />
Rotationskurven von Spiralgalaxien zeigen dass 90% <strong>der</strong> Materie<br />
optisch nicht beobachtbar sind son<strong>der</strong>n nur durch Gravitationswirkung.<br />
Geschwindigkeit [m/s]<br />
Gemessen<br />
Sichtbare<br />
Materie<br />
Radius vom Zentrum [m]<br />
Radius<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 35
Hinweis Nr.2: Dichte im Universum<br />
WMAP Messung <strong>der</strong><br />
Hintergrundstrahlung<br />
Beobachtbare Materie (baryonisch) ~4%<br />
Dunkle Materie ~25%<br />
Dunkle Energie ~71%<br />
wissen wir nichts darüber<br />
wissen wir weniger als nichts<br />
Ergebnisse innerhalb <strong>der</strong> Fehler konsistent mit Beobachtungen<br />
aus Supernovae und Hubble Teleskop<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 36
Eine mögliche Erklärung....<br />
für die dunkle Materie: Neue Teilchen<br />
Eigenschaften dieser potentiellen Teilchen:<br />
• Schwach wechselwirken<br />
• Elektrisch Neutral<br />
• Masse & Anzahl konsistent mit dunkler Materie<br />
• Stabil<br />
• Konsistenz mit Modellen <strong>der</strong> Galaxienformation<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 37<br />
?
Kandidat<br />
Neue Theorie: Supersymmetrie (SUSY)<br />
(Spiegelbildliche Teilchen)<br />
Elektron<br />
Quark<br />
Photon<br />
γ →<br />
Squark<br />
Photino<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 38<br />
e<br />
q<br />
→<br />
→<br />
Selectron<br />
e~<br />
q~<br />
~ γ<br />
Eines <strong>der</strong> (verschiedenen) SUSY Modelle:<br />
leichtestes SUSY Teilchen ist stabil<br />
Neutralino<br />
~χ<br />
0
SUSY Signaturen am LHC<br />
p<br />
p<br />
~ b<br />
g<br />
~<br />
b<br />
Squark, gluino Produktion führt <strong>zu</strong><br />
End<strong>zu</strong>ständen aus Lepton(en) + E T miss + Jets<br />
Untergrund: auch Ereignisse mit jets.<br />
Z.B. W + jets, Z + jets, tt, etc.<br />
ALEPH b-tagging<br />
~0<br />
χ2<br />
b<br />
~<br />
l<br />
±<br />
l<br />
±<br />
~χ<br />
0<br />
1<br />
±<br />
l<br />
Elektron<br />
Myon Nachweis<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 39
Nachweis von Jets und ET miss<br />
in HCAL Sampling Kalorimetern<br />
Absorptionsmaterial<br />
Detektormaterial<br />
Absorptionsmaterial<br />
λ<br />
λ<br />
had<br />
had<br />
Detektormaterial<br />
( Scint)<br />
( Fe<br />
)<br />
~<br />
Absorptionsmaterial<br />
~<br />
17<br />
Detektormaterial<br />
80<br />
cm<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 40<br />
cm<br />
Nur deponierte Energie im Detektormaterial<br />
ausgelesen � Fluktuationen + Statistik <strong>der</strong><br />
Schauerentwicklung<br />
K.Kleinknecht
Szintillator + Absorber<br />
ATLAS / CMS:<br />
ATLAS / CMS: Sampling Kalorimeter<br />
aus Messing mit aktiven<br />
Szintillator-schichten mit PMT<br />
Auslese<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 41
Lichttransport mit Fasern auf PM<br />
ATLAS<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 42
ATLAS Flüssig-Argon Flüssig Argon Kalorimeter<br />
� EM |η|
CMS / ALICE ECAL: PbWO Kristalle<br />
4 Kristalle<br />
4<br />
� Homogenes, voll aktives Kalorimeter<br />
� Beste Energieauflösung aber teuer<br />
� Starke T-Abhängigkeit (0.1 K Stabilität)<br />
CMS ECAL<br />
σ<br />
E 0.<br />
01<br />
≅ ⊕ 0.<br />
005 ⊕<br />
E E[<br />
GeV ]<br />
PbW0 4 Kristall<br />
X 0 < 0.9 cm<br />
ALICE Kalorimeter<br />
0.<br />
2<br />
E[<br />
GeV<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 44<br />
]<br />
ALICE
Anspruchsvolle Kristalle…. Kristalle….<br />
Herausfor<strong>der</strong>ungen:<br />
Kristallgröße<br />
1 cm<br />
Monitoring <strong>der</strong> Transmission<br />
(Strahlenschäden)<br />
•Vor dem Einbau<br />
•Während des Betriebes durch LEDs<br />
Temperatur konstant auf 0.1 K,<br />
Lichtausbeute stark T-abhängig<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 45
Suche 3: Die Ursache für die<br />
Materie-Antimaterie<br />
Materie Antimaterie<br />
Asymmetrie<br />
Studium <strong>der</strong> CP-Verlet<strong>zu</strong>ng<br />
im B-Sektor mit LHCb,<br />
ATLAS und CMS
Materie und Antimaterie<br />
Im Urknall <strong>zu</strong> gleichen Teilen erzeugt.<br />
Heute keine/kaum Antimaterie im<br />
Universum. Warum ?<br />
Mögliche Erklärung: kleiner<br />
Überschuß an Materie � CP Verlet<strong>zu</strong>ng<br />
Materie E Antimaterie<br />
Urknall 10000000001 10000000000<br />
Heute<br />
1 : 0<br />
This is a matter<br />
universe. Antimatter<br />
must sign the<br />
guestbook.<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 47
CP-Verlet<strong>zu</strong>ng CP Verlet<strong>zu</strong>ng im B-Sektor B Sektor<br />
+<br />
µ<br />
−<br />
µ<br />
Im Sektor mit b-Quarks Effekt sehr groß � Studium leichter<br />
Idee:<br />
D<br />
D<br />
B<br />
0<br />
B ⇔<br />
( db)<br />
0<br />
B<br />
0<br />
( db)<br />
Ladung<br />
K-Tag<br />
Lepton-Tag<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 48<br />
B<br />
0<br />
Messgröße:<br />
B<br />
B<br />
−<br />
+<br />
B<br />
B<br />
≠<br />
1
Nachweis<br />
±<br />
µ<br />
D<br />
B<br />
0<br />
ALEPH b-tagging<br />
1.)<br />
Tag (K,<br />
Lepton,<br />
Ladung)<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 49<br />
B<br />
Sekundäre<br />
Verticies<br />
Vertex-Separation erfor<strong>der</strong>t sehr hohe<br />
Ortsauflösung ~20 mu<br />
0<br />
2.)<br />
Auch Higgs<br />
und SUSY �<br />
b-Zerfall
Unverzichtbar: Unverzichtbar:<br />
Pixel-Vertexdetektoren<br />
Pixel Vertexdetektoren<br />
ATLAS & CMS nahe am Strahl � hohe Belegungsdichte<br />
und Strahlung � Pixel<br />
� Segmentierung hier als Pixel � 2D Koordinate<br />
� Typische Dimensionen: 50 x 400 mu (ATLAS), 150 x 150 mu (CMS)<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 50
ATLAS Pixel Modul<br />
Modul in Bestückungsrahmen, Sicht von <strong>der</strong> Sensoren (flex) Seite<br />
Anschluss<br />
Auslesechips<br />
MCC<br />
sensor<br />
Draht-Bonds<br />
FE-Chip FE-Chip<br />
6.1 cm<br />
Bonn, Dortmund, Wuppertal<br />
3 Module auf Kohlefaserträger<br />
Flexibles<br />
Kapton<br />
Kontroll-Chip<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 51
LHCb – Ein dediziertes B-Experiment<br />
B Experiment<br />
Fixed Target Geometrie, 1-armiges Vorwärtsspektrometer<br />
40 MHz, reduzierte Luminosität L = 2 x 1032 cm-2 s-1 Bd, Bs, Bc Mesonen und b-Baryonen � kurzlebig<br />
Ereignisselektion<br />
Lev-0 : e, µ, h mit hohem p T<br />
Lev-1 :<br />
• Sekundärvertex<br />
• Mind.1 Spur mit großem p T<br />
aus TT-Station (geringes B-<br />
Feld, Si)<br />
•K/π Trennung<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 52
21 Stationen<br />
R und φ Sensoren<br />
VELO<br />
Innerer Spurdetektor<br />
aus Silizium-Streifen<br />
~1.4×1.2 m 2<br />
Heidelberg, MPI Heidelberg,<br />
Äußerer Spurdet.<br />
Straw-Driftröhren<br />
~6×5 m 2<br />
LHC-b<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 53
K/π K/ Trennung im LHCb RICH<br />
� Zwei RICH Detektoren<br />
� Akzeptanzen:<br />
– 300 mrad RICH 1<br />
– 120 mrad RICH 2<br />
� Radiator Material:<br />
Aerogel C 4 F 10 CF 4<br />
B d → π − π +<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 54
Suche Nr.4: Ein neuer Materie-<br />
<strong>zu</strong>stand – Quark Gluon Plasma<br />
Untersuchungen von<br />
Pb-Pb (u.a. schweren<br />
Ionen) mit ALICE
Suche nach Quark uark-Gluon luon-Plasma lasma<br />
Neuer Materie<strong>zu</strong>stand (QGP) manifestiert sich in:<br />
– Unterdrückung schwerer Resonanzen<br />
z.B. J/Ψ � µ + µ −<br />
Nachweis erfor<strong>der</strong>t:<br />
– Spurverfolgung mit extrem hohen<br />
Spurdichten (~20,000 Spuren / Ereignis)<br />
∆<br />
p p = 1 . 2 ⊕ 0 . 3 p[%]<br />
εtrack ~93%-96%<br />
σVertex 0.5 GeV/c<br />
– Teilchenidentifikation (e, µ, h)<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 56
ALICE Detektor Operationsbedingungen:<br />
HMPID=RICH<br />
ITS: Pixel<br />
+ Si-Drift +<br />
Streifen<br />
TRD<br />
PHOS=Photon<br />
Spektrometer<br />
TPC<br />
TOF<br />
L = 10 27 cm -2 s -1<br />
WW-Rate = 8 kHz<br />
Muon Arm<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 57
Herausfor<strong>der</strong>ung Schwerionenphysik<br />
Sehr hohe<br />
Spurdichten<br />
im Detektor<br />
NA49<br />
Simulation<br />
einer Pb-Pb<br />
Kollision<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 58
ALICE Time ime Projection rojection Chamber hamber<br />
88 m3 ,<br />
5 x 5.6 m2 ,<br />
570 k Kanäle<br />
100 kV<br />
E E<br />
B<br />
Operationsbedingungen:<br />
• 400 V/cm � max. tDrift = 88 µs<br />
•Ne/CO2 (90/10)%<br />
• Pads ~mm2 , 50% Belegung<br />
ALICE<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 59<br />
Rekonstruktion
Vier Detektoren auf dem<br />
Weg....
Status <strong>der</strong> LHC Detektoren<br />
Detektoren erfüllen die LHC<br />
Herausfor<strong>der</strong>ungen<br />
Fortschreitende Detektorproduktion<br />
(z.B. Kalorimeter, Myon Systeme)<br />
Werden bereit sein für die erste<br />
Datennahme in 2007... ATLAS<br />
ALICE TRD<br />
ALICE TRD<br />
HEC<br />
CMS<br />
HCAL Rückfluss<br />
eisen<br />
Muon<br />
System<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 61
LHC und seine Experimente<br />
... dringt in Energiebereiche vor,<br />
die nie <strong>zu</strong>vor ein Mensch gesehen<br />
hat [Star Trek]<br />
Die Mitspieler: Beschleuniger &<br />
Experimente<br />
Suche 1: Das inkomplette<br />
Standardmodell<br />
Suche 2: Sind neue Teilchen <strong>der</strong><br />
Ursprung <strong>der</strong> dunklen Materie<br />
Suche 3: Ursache für Materie-<br />
Antimaterie Asymmetrie<br />
Suche 4: Ein neuer Materie<strong>zu</strong>stand:<br />
Quark-Gluon-Plasma<br />
K.Hoepfner ; DESY 26.11.2003 <strong>Vorstoß</strong> <strong>zu</strong> <strong>neuen</strong> <strong>Energien</strong> 62
Ausblick....<br />
Ein Feuerwerk an<br />
<strong>neuen</strong> Erkenntnissen<br />
und ein tieferes<br />
Verständnis <strong>der</strong><br />
<strong>Physik</strong> ...<br />
Higgs<br />
CP<br />
SUSY<br />
QGP
![Dunkle Materie [Schreibgesch-374tzt] - Server der Fachgruppe ...](https://img.yumpu.com/9003314/1/190x143/dunkle-materie-schreibgesch-374tzt-server-der-fachgruppe-.jpg?quality=85)
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