Physik mit höchstenergetischen .• Teilchenphysik und Kosmologie • Fundamentale Teilchen und

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Text of Physik mit höchstenergetischen .• Teilchenphysik und Kosmologie • Fundamentale Teilchen und

  • S. Bethke, F. Simon Physik mit hchstenergetischen Teilchenbeschleunigern TUM WS14/15

    Vorlesung TU Mnchen, WS 14/15 !!

    Prof. Dr. Siegfried Bethke Dr. Frank Simon

    MPI fr Physik Fhringer Ring 6 80805 Mnchen

    !bethke@mpp.mpg.de !fsimon@mpp.mpg.de !

    !http://www.mpp.mpg.de

    Physik mit hchstenergetischen Teilchenbeschleunigern

    (Tevatron und LHC)

    1

    https://indico.mpp.mpg.de/categoryModification.py?categId=93

    mailto:bethke@mpp.mpg.demailto:fsimon@mpp.mpg.dehttp://www.mpp.mpg.de

  • S. Bethke, F. Simon Physik mit hchstenergetischen Teilchenbeschleunigern TUM WS14/15

    2

    Vorlesung 1:

    Organisatorisches; Einfhrung und berblick

    Ziel der Vorlesung

    Organisation

    Literaturempfehlungen

    ! Teilchenphysik und Kosmologie

    Fundamentale Teilchen und Krfte

    Beschleuniger und Detektoren

    derzeitiges Weltbild und offene Fragen

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    3

    Ziel der Vorlesung:

    aktueller berblick ber hchstenergetische Hadronenbeschleuniger

    Teilchendetektoren an Tevatron & LHC

    Experimentelle Analysemethoden

    Physik des Standardmodells bei hohen Energien

    Higgs Boson: Entdeckung und Eigenschaften

    Suche nach neuer Physik jenseits des SM

    Ausblick auf geplante Experimente

  • S. Bethke, F. Simon Physik mit hchstenergetischen Teilchenbeschleunigern TUM WS14/15

    4

    Organisation der Vorlesung:

    Zeit & Ort: - Montag 14:15-15:45 , Seminarraum PH 127 Vorkenntnisse: - muss: Vorlesung Teilchen und Kerne - soll: Vorlesung Einfhrung in die Teilchenphysik - kann: Quantenfeldtheorie, theor. Teilchenphysik ! bungen: - keine Schein: - bei Bedarf ! Skriptum: - http://www.mpp.mpg.de (-> Veranstaltungen ->

    Vorlesungen) https://indico.mpp.mpg.de/categoryModification.py?categId=93

    ! Exkursion: - nach Vereinbarung: CERN Laborbesichtigung: - Tag der offenen Tr: MPI fr Physik, 8.11.2014

    http://www.mpp.mpg.de

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    1. Einfhrung 06.10. 2. Teilchendetektoren I 13.10. 3. Teilchendetektoren II 20.10. 4. Hadronenbeschleuniger (Tevatron und LHC) 27.10. 5. Monte Carlo Generatoren und Detektor Simulation 03.11. 6. Trigger, Datennahme und Computing 10.11. 7. QCD, Jets 17.11. 8. Standard Modell Tests 24.11. 9. Higgs Physik I 01.12. 10. Higgs Physik II 08.12. 11. Top Quark Physik 15.12. 12. fllt aus 22.12.

    -----------xmas -------------------------------------- 13. SUSY 12.01. 14. Exotica (Black Holes, Extra Dimensions etc.) 19.01. 15. Ausblick 26.01.

    Physik mit hchstenergetischen Beschleunigern

    5

  • S. Bethke, F. Simon Physik mit hchstenergetischen Teilchenbeschleunigern TUM WS14/15

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    Literaturempfehlungen:Grundlagen:

    - Mark Thomson, Modern Particle Physics, Cambridge University Press 2013

    - Matthew D. Schwartz, Quantum Field Theory and the Standard Model, Cambridge U.P. 2014

    - D.H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, Cambridge University Press 2000

    - R.K.Ellis, W.J.Stirling, B.R. Webber, QCD and Collider Physics, Cambridge Monographs 2010

    !begleitend und weiterfhrend:

    - Particle Data Group: pdg.lbl.gov (-> reviews, tables and plots, -> exp. Methods)

    - Tilman Plehn, Lectures on LHC Physics, Springer Lecture Notes, Volume 886 2015

    - SPIRES HEP library: http://inspirehep.net

    - www.cern.ch , www.desy.de , www.fnal.gov , www.slac.stanford.edu, www.kek.jp

    http://www.cern.chhttp://www.desy.dehttp://www.fnal.govhttp://www.slac.stanford.eduhttp://www.kek.jp

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    Dimensions and Structure of MatterUniverse 1026 m

    Galaxy 1021 m

    Earth 107 m

    Human 100 m

    Atom 10-10 m

    Atomic Nucleus 10-14 m

    Nucleon 10-15 m

    Quark; Lepton < 10-18 m

    Solar System 1013 m

    ????? ??? ?? 7

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    Ast

    rono

    mie

    Nukleosynthese

    von Helium

    10 K 1 sec.10

    QUANTEN-

    GRAVITATION

    GROSSE VEREINHEITLICHUNG

    Inflation

    Antiquarks verschwinden

    Formation von

    Protonen und Neutronen

    Positronen verschwinden

    Asymmetry Q - Q L - L

    10 K 10 sec-1015

    10 K27 10 sec-34

    10 K31

    10 sec-43

    Temperatur Alter

    Wir sind hier

    Entstehung von

    Sternen und Galaxien

    erste Supernovae

    11 K 1 Milliarde

    Jahre

    UNIVERSUM WIRD TRANSPARENTBildung von Atomen.

    Entkopplung von

    Strahlung und Materie.

    1.000 K 300 000

    Jahre

    Proto-Galaxie

    Schwere Sterne

    Schweres Atom

    Wasserstoff Atom Helium Atom

    n npp

    n npp

    pp

    pp Elektrone ee

    Proton

    (Wasserstoff-Kern)

    Helium-Kern

    e

    e Photonnn n Neutronp pe

    .

    ?e Q

    QQ

    e QQQ

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    Q Q

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    Z

    g

    W

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    ?Q

    YL

    ?Q

    e

    Q

    L

    X

    ?

    gZ

    Proton(Baryonen)

    QQQQ

    QQ

    e e

    Q

    Gluon

    ee Positron

    GEGENWART

    Zeit

    mat

    erie

    dom

    inie

    rte

    rastr

    ahlu

    ngsd

    omin

    ierte

    ra

    Neutrino

    Teilchenphysik und Kosmologie

    2.7 K 13.7 Milliarden

    Jahre

    Urknall

    Teilc

    henb

    esch

    leun

    iger

    1016 K 10-15secLHC

    hoch

    ener

    getis

    che

    kosm

    ische

    Str

    ahlu

    ng

    8

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    9

    Kurze Geschichte der Teilchenphysik (1)

    1933: Substruktur des Protons

    1947: Entdeckung der -Mesonen und langlebiger V-Teilchen (K , ) in kosm. Hhenstrahlung0

    1953: V-Teilchen an Beschleunigern produziert; neue innere Quantenzahl ( "strangeness" ).

    ?

    1932: Entdeckung des Neutronsp e n

    Entdeckung des Positrons e+

    Neutrino-Hypothese des Zerfalls ?

    Teilchenzoo: +, , 0, 0, ; 0 , p, n; e, , e, (Mesonen, Baryonen; Leptonen)

    1936: Entdeckung des (2. Lepton-Generation)

    2.5 e2 mp

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    10

    s

    Q2

    1969: Dynamisches Partonenmodel:N } X

    q *e e

    Kurze Geschichte der Teilchenphysik (2)

    1964: Statisches Quark-Modell ; neue innere Quantenzahl: Far be.

    Baryon Meson

    1973: Standardmodell der vereinigten Elektroschwachen Wechselwirkung (eichinvariante Quantenfeldtheorie) Entdeckung Neutraler Strme

    N } XqZ0

    Asymptotischen FreiheitKonzept der Quanten Chromo Dynamik;Theorie der Starken Wechselwirkung:

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    Kurze Geschichte der Teilchenphysik (3)

    1979: Entdeckung des Gluons e

    e

    +

    Z ,0 *

    q

    q

    1974: Entdeckung des -Leptons (3. Lepton-Generation) Entdeckung des c-Quarks (4. Quark)

    1977: Entdeckung des b-Quarks (3. Quark-Generation)

    1983: Entdeckung der W- und Z-Bosonen

    1990: Beschrnkung auf 3 Neutrino-Generationen

    1994: Entdeckung des t-Quarks (3. Quark-Generation)

    2000: Explizite Besttigung der Existenz des

    g

    1998-2001: Neutrino-Oszillationen (Neutrinomasse)

    2012: Entdeckung eines/des Higgs-Bosons

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    12

    Quarks

    Leptons

    Generation

    ud

    e

    cs

    tb

    e

    1 2 3

    Elementary Particles Elementary Forces

    exchange boson

    Strongel.-magn.

    WeakG

    g

    W, Z0

    Gravitation

    The Standard Model of Particle Physics

    11/137

    10-14

    10-40

    relative

    strength

    ... as well as anti-particles

    ... is rather simple (und bersichtlich):

    ... describes the unified electro-weak interaction and the Strong force with gauge invariant quantum field theories;

    ... provides a consistent (yet incomplete) picture of the evolution of the very early universe > cosmology

    ... precisely describes all particle reactions observed to date

    ... theoretical explanation of particle masses: the Higgs Boson

  • S. Bethke, F. Simon