LHCb Wat doen wij? Niels Tuning voor ET - 8 januari 2013

Transcriptie

1 LHCb Wat doen wij? Niels Tuning voor ET - 8 januari 2013

2 LHCb Waarom deeltjesfysica? Waarom LHCb? Resultaten Upgrade

3 Deeltjesfysica Bestudeert de natuur op afstanden < m m atoom kern Quantum theorie beschrijft alle metingen tot m (Ter vergelijk: m = 100 lichtjaar)

4 Machten van tien Heelal m Spin 10-2 m Melkweg m Atoom m Zonnestelsel m Kern m Aarde 10 7 m Botsingen m

5 Wat is het nut van dit onderzoek? Fundamenteel onderzoek Kan leiden tot verrassingen, Soms zelfs nuttig Maar per definitie van te voren onbekend Oneindig veel toegepast onderzoek aan de kaars zou ons nooit het electrische licht hebben gebracht.

6 Wat is het nut van dit onderzoek? Fundamenteel onderzoek Kan leiden tot verrassingen, Soms zelfs nuttig Maar per definitie van te voren onbekend Zonder relativiteitstheorie zit de GPS er 10km/dag naast!

7 Wat is het nut van dit onderzoek? Fundamenteel onderzoek Heeft nuttige bij-effecten Medische toepassingen Internet Opleiden van onderzoekers voor de maatschappij (Philips, ASML, etc, etc) PET scan www

8 De stand van zaken in pdg.lbl.gov

9 De elementaire deeltjes up down elektron up up down Proton up down down Neutron

10 Wat kan je maken van deze 3 bouwstenen? periodiek systeem van Mendeleev Alles!

11 quarks leptons De elementaire deeltjes Niet één serie, maar drie! I II III u d c (1976) s (1947) t (1995) b (1978) e (1895) m (1936) t (1973) n e n m n t (1956) (1963) (2000)

12 quarks leptons De elementaire deeltjes Generatie: I II III Lading u d c (1976) s (1947) t (1995) b (1978) +2/3 e -1/3 e e (1895) n e (1956) m (1936) n m (1963) t (1973) n t (2000) Materie -1 e 0 e

13 quarks leptons Is dit alles? Generatie: I II III Lading u d c (1976) s (1947) t (1995) b (1978) +2/3 e -1/3 e e (1895) n e (1956) m (1936) n m (1963) t (1973) n t (2000) Materie -1 e 0 e

14 Anti-materie Revoluties begin vorige eeuw: Relativiteitstheorie Quantum Mechanica Paul Dirac (1928): relativistische quantum theorie! Voor elk materiedeeltje bestaat een anti-materiedeeltje! Anti-materie deeltje: Zelfde massa Tegenovergestelde lading

15 leptons quarks De elementaire deeltjes I II III Lading u d c (1976) s (1947) t (1995) b (1978) +2/3 e -1/3 e e (1895) n e (1956) m (1936) n m (1963) t (1973) n t (2000) Materie -1 e 0 e

16 leptons quarks De elementaire deeltjes I II III Lading Lading I II III u d c (1976) s (1947) t (1995) b (1978) +2/3 e -1/3 e -2/3 e +1/3 e u d c s t b e (1895) m (1936) t (1973) -1 e +1 e e m t n e (1956) n m (1963) n t (2000) 0 e 0 e n e n m n t Materie Anti-materie

17 Hoe maak je anti-materie?? Albert Einstein: E=mc 2 materie + antimaterie = licht! (en vice versa) e + e - e + e -

18 Anti-materie in ziekenhuizen: de PET-scan e + e

19 Wat snappen we nog niet:

20 I. Wat snappen we nog niet? Anti-materie Waar is de anti-materie gebleven? Geen anti-materie met satellieten Geen anti-materie sterrenstelsels

21 II. Wat snappen we nog niet? Higgs Massa van deeltjes Neutrino s Elektron Muon Tau up,down, strange Bijzondere voorspelling: Het Higgs boson: zorgt ervoor dat deeltjes massa kunnen hebben in de theorie Top quark charm bottom

22 III. Wat snappen we nog niet? Donkere materie Temperatuurfluctuaties structuur van het heelal Rotatie-curves Gravitationele lens Wat is de donkere materie? We hebben al die tijd maar 4% van het heelal bestudeerd!

23 Wat snappen we niet? Drie Grote Vragen 10 9 yr 10 2 s ~ 100 kev s ~ 100 GeV II. Higgs?? (wat maakt deeltjes zwaar) I. Anti-materie?? (waar is het gebleven) III. Donkere materie?? (wat klonterde de sterrenstelsels)

24 Astronomie Deeltjes fysica Fundamenteel (nieuwsgierigheid gedreven) onderzoek Waar is de Anti-materie heen?

25

26 Klassiek botsen proton Quantummechanisch botsen proton Slide 26

27 Wat verwacht je? Al 40 jaar bestaan er precieze wiskundige voorspellingen!

28 Hoe ontdekken we nieuwe deeltjes? Bij de LHC op Cern: 1) Verander energie in materie!

29 Hoe ontdekken we nieuwe deeltjes? Bij de LHC op Cern: 1) Verander energie in materie! 2) Nieuwe deeltjes veranderen voorspellingen

30 LHCb ATLAS CMS ALICE

31 2) Nieuwe deeltjes veranderen voorspellingen LHCb 1) Verander energie in materie ATLAS

32 The LHCb Detector 23 sep :49:24 Run Event

33 proton Quantummechanisch botsen proton

34 LHCb in getallen 120,000 B events per sec (ter vergelijk: in ATLAS : 1 Higgs in 100 sec) 300 μb events / sec ( L=4x10 32 ) B events in 2011 (ter vergelijk: Babar heeft in totaal 10 9 B events) 3 khz naar tape (ter vergelijk: ATLAS schrijft 200 Hz weg)

35 LHCb: bestuderen van B deeltje 1) Vind verschillen tussen materie en anti-materie b s s b 2) Vind nieuwe deeltjes b s μ μ

36 LHCb: bestuderen van B deeltje Vind nieuwe deeltjes

37 LHCb: bestuderen van B deeltje B 0 s μμ? 2) Vind nieuwe deeltjes B 0 s μμ b s μ μ

38 LHCb: bestuderen van B deeltje B 0 s μμ! Slechts 3 op de miljard B deeltjes vervalt naar 2 muonen Bestaan er nieuwe deeltjes? b s μ μ

39 LHCb: bestuderen van B deeltje B 0 s μμ! Gemeten: Voorspeld:

40 LHCb: bestuderen van B deeltje 1) Vind verschillen tussen materie en anti-materie b s s b 2) Vind nieuwe deeltjes b s μ μ

41 LHCb: bestuderen van B deeltje Vind verschillen tussen materie en anti-materie b s s b Highlights: 1) First evidence for the decay B s0 μμ, arxiv: ) Observation of D 0- D 0 Oscillations, arxiv ) Measurement of the CP-violationg phase φ s in B s0 J/ψφ, arxiv: , PRL 108 (2012) 4) Differential branching fractions and angular analysis of the decay B 0 K* 0 μμ, arxiv: , PRL 108 (2012) 5) First Evidence of direct CP violation in charmless two-body decays of B 0 s mesons, arxiv: , PRL 108 (2012)

42 LHCb: bestuderen van B deeltje Vind verschillen tussen materie en anti-materie c u u c Highlights: 1) First evidence for the decay B s0 μμ, arxiv: )Observation of D 0- D 0 Oscillations, arxiv ) Measurement of the CP-violationg phase φ s in B s0 J/ψφ, arxiv: , PRL 108 (2012) 4) Differential branching fractions and angular analysis of the decay B 0 K* 0 μμ, arxiv: , PRL 108 (2012) 5) First Evidence of direct CP violation in charmless two-body decays of B 0 s mesons, arxiv: , PRL 108 (2012)

43 LHCb: bestuderen van B deeltje Vind verschillen tussen materie en anti-materie b s s b Highlights: 1) First evidence for the decay B s0 μμ, arxiv: ) Observation of D 0- D 0 Oscillations, arxiv )Measurement of the CP-violationg phase φ s in B s0 J/ψφ, arxiv: , PRL108(2012) 4) Differential branching fractions and angular analysis of the decay B 0 K* 0 μμ, arxiv: , PRL 108 (2012) 5) First Evidence of direct CP violation in charmless two-body decays of B 0 s mesons, arxiv: , PRL 108 (2012)

44 LHCb: bestuderen van B deeltje Vind verschillen tussen materie en anti-materie b s μ μ Highlights: 1) First evidence for the decay B s0 μμ, arxiv: ) Observation of D 0- D 0 Oscillations, arxiv ) Measurement of the CP-violationg phase φ s in B s0 J/ψφ, arxiv: , PRL 108 (2012) 4)Differential branching fractions and angular analysis of the decay B 0 K* 0 μμ arxiv: , PRL108(2012) 5) First Evidence of direct CP violation in charmless two-body decays of B s 0 mesons, arxiv: , PRL 108 (2012)

45

46 LHCb: bestuderen van B deeltje Vind verschillen tussen materie en anti-materie B s0 K + π - Highlights: 1) First evidence for the decay B s0 μμ, arxiv: ) Observation of D 0- D 0 Oscillations, arxiv ) Measurement of the CP-violationg phase φ s in B s0 J/ψφ, arxiv: , PRL 108 (2012) 4) Differential branching fractions and angular analysis of the decay B 0 K* 0 μμ, arxiv: , PRL 108 (2012) 5)First Evidence of direct CP violation in charmless two-body decays of B s 0 mesons, arxiv: , PRL 108 (2012)

47 LHCb: bestuderen van B deeltje Vind verschillen tussen materie en anti-materie B s0 K + π - B s0 K - π + Highlights: (ds) 1964: CP schending met K 0 (Nobelprijs 1980) 1) First evidence for the decay B s0 μμ, arxiv: ) Observation of D 0- D 0 Oscillations, arxiv (bd) 2000: CP schending met B 0 (Nobelprijs 1998) 3) Measurement of the CP-violationg phase φ s in B s0 J/ψφ, arxiv: , PRL 108 (2012) (bs) 2012: CP schending met B 0 s 4) Differential branching fractions and angular analysis of the decay B 0 K* 0 μμ, arxiv: , PRL 108 (2012) 5)First Evidence of direct CP violation in charmless two-body decays of B s 0 mesons, arxiv: , PRL 108 (2012)

48 LHCb: Hoe verder? Preciezer! Upgrade (2018)

49 LHCb: Upgrade - Trigger Precisie meting Meer luminositeit Aantal events: Meer luminositeit Hogere trigger rate Meer luminositeit Hogere threshold Hogere threshold Minder events Hogere lumi helpt niet, als we de trigger niet aanpakken! Oplossing: Slimmere trigger alle events naar CPU farm: MHz, niet 1 MHz

50 LHCb: Upgrade - Detectors Precisie meting Meer luminositeit Meer luminositeit Hogere particle rate Hogere particle rate Occupancy te hoog in de Outer Tracker 2 opties: CENTRAL TRACKER OUTER TRACKER OUTER TRACKER OUTER TRACKER INNER TRACKER 1) Inner Tracker wordt Scintil. Fiber, Outer Tracker wordt minder 2) Inner Tracker wordt groter, Outer Tracker wordt kleiner

51 LHCb zoekt naar nieuwe deeltjes om antwoorden te zoeken op grote vragen II. Higgs?? (wat maakt deeltjes zwaar) I. Anti-materie?? (waar is het gebleven) III. Donkere materie?? (wat klonterde de sterrenstelsels)

52 Backup Iets over de Higgs voor de liefhebber

53 Hoe zien die botsingen er nou uit? quark quark Simulatie top quark productie quark proton elektron proton neutrino quark

54 Hoe ontdek je nou nieuwe dingen Nieuwe afstandschaal EN nieuwe detector Nieuw? Normaal muon muon muon? muon

55 Higgs ZZ 4 leptonen klein aantal schitterende botsingen Higgs bosonen higgs Z l + l - l - Z l - H ZZ l + l - l + l - Maar 1 op de 1000 Higgs bosonen vervalt naar 4 leptonen 50% kans dat ATLAS detector ze allemaal goed terugvindt 60 (Higgs 4 lepton) events piek!? overig Met Higgs 52 events 68 events

56 Higgs 2 fotonen foton foton higgs foton H γγ verval piek!?

57 Higgs: Deeltje? Veld? Deeltje Foton (lichtdeeltje) Veld Elektrisch veld e + e -

58 Waarom is de Higgs zo bijzonder? Deeltje proton Veld Deeltje higgs Schijnbare massa Higgs veld proton H productie Alsof de vis het water heeft ontdekt