Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de natuur. Resultaten uit 1 e jaar van de LHC. Ivo van Vulpen

Transcriptie

1 Zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de natuur Resultaten uit 1 e jaar van de LHC Ivo van Vulpen

2 Deeltjesfysica m atoom kern Wat zijn de bouwstenen van de dingen om ons heen?

3 De stand van zaken in april pdg.lbl.gov

4 De elementaire deeltjes up down elektron up up down Proton + 4 natuurkrachten up down down Neutron

5 bouwstenen van proton/neutron Deeltjes Krachten Quarks 1) Electromagnetisme 2) Zwakke kernkracht Leptons 3) Sterke kernkracht elektron muon Het Standaard Model

6 Ontdekkingsreis [A] Waarom valt het electron niet op de kern? 2 nieuwe concepten: - quantummechanica - relativiteitstheorie m [B] Wat houdt de kerndeeltjes bij elkaar? 2 nieuwe natuurkrachten: - zwakke kernkracht - sterke kernkracht atoomkern m

7 Wat snappen we nog niet:

8 Revolutie in kosmologie laatste paar jaar Structuur van het heelal 45/100

9 Waar bestaat het heelal uit? 0% ANTI MATTER

10 Paar kleine dingetjes: % van de materie in het heelal is onbekend donkere materie - Waar is alle anti-materie gebleven? 3 Higgs boson - waarom past gravitatie niet in SM, extra dimensies, waarom 3 families, fermionen fundamentele deeltjes, supersymmetrie, protonen stabiel, quantisatie electrische lading, exploderende quantumcorrecties, kleine neutrino massa s, string theorie,

11 Extra dimensies? Het Standard Model is effectief deel van een meer fundamentele theorie Model verliest voorspellende waarde rond 1-10 TeV Nieuwe fenomenen bij ~ m 2011 Supersymmetrie? String theorie? Edward Witten s laatste inzicht.

12 Donkere Materie Theoretisch idee: Supersymmetrie: deeltjes Anti-deeltjes Bij de LHC kunnen we deze superdeeltjes produceren. En misschien wel donkere materie maken. proton proton Super-symmetrie: elk deeltje heeft een zwaar broertje Donkere materie?

13 Albert Einstein We proberen de donkere materie deeltjes en Higgs bosonen in het laboratorium maken Energie en massa zijn equivalent je kan nieuwe deeltjes maken

14 kijken zonder je ogen te gebruiken

15 1] Kijken met licht Licht verstrooit aan objecten die groter zijn dan de golflengte van het licht IR UV Röntgen 10-6 m m Energie 2] Kijken met deeltjes Quantummechanica: deeltjes zijn golven microscoop voor zeer kleine afstanden: - klein: elektronen microscoop - kleinst: protonen micsoscoop Large Hadron Collider λ ~ m

16 Het atoom Thomson Rutherford Hypothese: Meting: en

17 Deeltjesfysica experiment?? Quantum-model (E=mc 2 ) nieuwe deeltjes Kijken naar sub-atomaire structuren: 1) Kleine deeltjes maken: Deeltjesversneller 2) Berekenen wat je verwacht voor een hypothese: Theorie 3) Verstrooide deeltjes kunnen bekijken: Detector

18 De grootste microscoop op aarde de Large Hadron Collider (LHC) op CERN bij Genève

19 De Large Hadron Collider LHC: 27 km Genève Leiden

20 De LHC deeltjesversneller Genève

21 De LHC machine Versnellen is een eitje Hoge energie: 14 TeV 7 x Tevatron Energie begrensd door sterkte van de 1232 dipool magneten, met B= 8.4 T bij 1.9 K Mogelijke productie zware deeltjes (tot 4 TeV) 20 goud atomen Hoge intensiteit: 10 33/34 cm -2 s -1 (40 M bots/sec) Zoeken naar zeldzame gebeurtenissen 100 x LEP & Tevatron

22 Energie 1 proton (LHC) Energie LHC bundel 3000 x protonen Bundel 2 Doorsnede LHC bundelpijp Bundel 1

23 LHC design: 40 miljoen botsingen per seconde Bundel 1 Bundel 2

24 Wat botst er nou eigenlijk? Proton up down down Aantal partonen Gluonen (x 0.05) up-quark down-quark Proton bestaat uit een grote kluwe quarks en gluonen voornamelijk gluonen! Sea-quarks (x 0.05) X = fractie proton impuls

25 Klassiek botsen proton Quantummechanisch botsen proton

26 Wat verwacht je? Klopt het? Inderdaad nieuwe deeltjes?

27 Deeltjes productie kansen 7 TeV Heel veel gewone dingen b-quark 10 5 Hoge energie jet 10 3 W-boson 10 2 Z-boson 10 1 top quark 10-1 Higgs boson 10-4 / 10-7 Supersymmetrie ε / 0? Heel weinig Higgs bosonen Botsingsenergie (TeV) wel al een hand vol gemaakt dit jaar

28 Hoe zien die botsingen er nou uit? Top quarks bijvoorbeeld quark quark Simulatie top quark productie quark proton elektron proton neutrino quark

29 Luminosity effectief aantal botsingen per tijdseenheid L n 1n 2 σ x σ y Vergroot intensiteit Kleinere bundeloverlap Meer protonen per bundel of meer bundels

30 Fotootjes kijken 40 miljoen botsingen per seconde mag maar 200 per seconde opslaan 1 naald in 40 miljoen hooibergen.. per seconde! ongeveer 1 Higgs boson per dag

31 Wist je dat je maar 200 botsingen per seconde op kan slaan? dat is nl. al 6 PetaByte per jaar (6000 Tb = DVD s) je moet dus % van de foto s weggooien elke seconde weer YES NO Cancel De data wordt verspreid over de hele wereld Ook naar SARA/Nikhef (Amsterdam)

32 LHC start-up programme 45 pb -1 Integrated luminosity 1 fb 1 3 Look for new physics in ATLAS at 14 TeV Higgs/SUSY 3 pb pb 1 2 Understand SM+ATLAS in complex topologies Komend jaar 100x meer data 1 Understand SM+ATLAS in simple topologies Top quark pairs 0 Understand ATLAS Testbeam/cosmics LHC startup W/Z Andreas Hoecker Time

33 LHCb ATLAS CMS ALICE

34 Op 100 meter diep een grote grot maken

35

36 1 het grootste fototoestel op aarde 3 positie en impuls geladen deeltjes muon detector energie quark-deeltjes 2 energie elektronen en fotonen

37 De ATLAS detector 45 m lang, 25 m hoog, 7000 ton 75/100

38 De Atlas pixel detector 80 MegaPixel camera foto s per seconde

39 De Atlas SCT detector Foto in de cleanroom op het Nikhef (Amsterdam) 85/105

40 Atmosferische muonen in ATLAS ~25 Hz atmosferische muonen in ATLAS detector 500 miljoen events, 1.2 Pb ruwe data Projectie oorsprong op grondvlak Access shaft muon

41 ATLAS detector operation Subdetector # channels Operational Pixels 80 M 97.3 % SCT Silicon Strips 6.3 M 99.2 % TRT Transition Radiation Tracker 350 k 97.1 % Lar EM Calorimeter 170 k 97.9% Tile Calormeter % Hadronic Endcap LAr calorimeter % Forward LAr Calorimeter % L1 Calo trigger % LVL1 Muon RPC trigger 370 k 99.5 % LVL1 Muon TGC trigger 320 k 100 % LVL1 Muon Drift Tubes 350 k 99.5 % CSC cathode strip chambers 31 k 98.5 % RPC Barrel Muon Chambers 370 k 97.0 % TGC Endcap Muon Chambers 320 k 98.4 % Tracking Calorimeter Trigger de detector doet het fenomenaal

42 The Standard Model Geladen deeltjes

43 Inner detector Transition Radiation Tracker barrel: 30 straws ATLAS inner detector SemiConductor Tracker barrel: 4 layers (x2) In 2 Tesla magneetveld Pixel detector barrel: 3 layers

44 Vertexing Primary vertices Pile-up event ~2.5 cm Luminous region: σ X =45 µm, σ Y =70 µm Vertex resolution ~75 µm 10/40

45 Number of SCT hits Tracking detectoren Radius in ATLAS [mm] residual Alignment Barrel pixel detector data: 19 µm MC: 17 µm residual 9/40

46 Lang levende deeltjes K s invariant mass Λ invariant mass

47 electronen The Standard Model Muonen

48

49 2 muonen in een event NB: Het schoonste Higgs boson verval is H 4 muonen?

50

51 Jets The Standard Model

52 Jets: overblijfselen van gluon of quark fragmentatie PT = 1.3 TeV PT = 1.2 TeV Highest transverse momentum Mjj= 3.7 TeV Highest invariant mass

53 Differential jet distributions Inclusive jet multiplicity Spectacular events 36 pb -1 8 jets: P T > 60 GeV Jets with P T > 60 GeV

54 Differential jet distributions New physics: di-jet resonances & correlations Excited quarks Di-jet mass q q* g ATLAS: 500 GeV < M q* < 1.53 TeV CDF: 260 GeV < M q* < 870 GeV

55 The Standard Model Missing transverse energy

56 Energie depositie in Calorimeter noise Impuls/energie behoud in xy-vlak. Inbalans wijst op: 1) ruis van bekende effecten: materiaal, resolutie etc etc. 2) Een deeltje dat niet met materie interageert is ontsnapt: neutrino of donkere materie deeltje 3) of je detector doet het niet

57 Missing transverse energy Missing transverse energy (E x,e y )-miss resolution Tails under control Resolution as expected

58 W bosonen: W µ ν

59 Selecting leptonic W-boson decays: Lepton + missing energy (neutrino) Transverse W mass W lν cross-section W W + W - Note: 100x more data available σ W tot Br(W lν) = 9.96 ± 0.23(stat) ± 0.50(syst) ±1.10(lumi) nb

60 Nieuwe fysica

61 Hoe ontdek je nou nieuwe dingen: Higgs boson Nieuwe afstandschaal EN nieuwe detector Nieuw? Normaal muon muon muon muon Ja Higgs waarschijnlijk deeltje? wel

62 Higgs boson: wat kunnen we dit jaar verwachten Higgs boson massa

63 The ATLAS collaboration

64 The Standard Model De ATLAS detector doet het fantastisch Stortvloed SM metingen Op zoek naar rare dingen in 2011