Date post: | 05-Apr-2015 |
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Physik bei HERADie Experimente H1 und ZEUS
Thomas Schörner-Sadenius
Uni HH, 17. Februar 2005Fortgeschrittenenpraktikum
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 2
Übersicht
• Grundlagen der Physik bei HERA• Warum ist HERA-Physik spannend?• DESY und seine Infrastruktur
HERA +Physik
H1 undZEUS
• Übersicht über die Experimente• Internationale Kollaborationen• Arbeitsorganisation
Als Student
• Warum Diplomarbeit in HEP? Bei HERA?• Was kann man als Diplomand tun?
– Physik, Hardware, Software
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 3
Elektron-Proton-StreuungDas Proton – ein komplexes Objekt
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 4
Elektron-Proton-StreuungDas Elektron als “Sonde”
Ee = 27.5 GeV
Ep = 920 GeV[before 1998: 820 GeV] Tiefunelastische Streuung (DIS):
Q2 > 0 GeV2.
Photoproduktion: Q2 = 0 GeV2
p=xP
P
Q2=-q2=-(k-k’)2
Proton
k’(e±,)k Lepton (e±)
y=Q2/sx: Inelastizität[s=Schwerpunktsenergie]
x=Q2/2Pq: Anteil des Quarksam Protonimpuls (Bjorken-x)
Q2: Viererimpuls-Transfer[Auflösung ~1/Q]
,Z,W
neutral current - echarged current -
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 5
Ein typisches Ereignis in H1dargestellt im “Event-Display”
H1-NC-DIS-Ereignis[Q2=4EeEe’cos2(/2)]
Gestreutes e±
Gestreutes Quark
ProtonLepton
Spurkammern
Kalorimeter
Struktur des Protons EM und schwache WW QCD Neue Physik
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 6
Elektron-Proton-StreuungVerdeutlichung von x und Q2
Q~1/=1/AuflösungQ2 hoch kleinere Strukturen
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 7
Dynamik im Proton unter der LupeVoll das Leben - Gluonen!
),(2
~ 2242
2
QxFxQdxdQ
d
F2 beschreibt dynamischeStruktur des Protons
Q2: (Impulsübertrag)2 von e auf p [~1/Q]
[ QPM: F2(x) = eq2 xq(x) ]
Elektron
Proton
(Q2)
x
Hohe Energie: ep-Streuung ~ eq-Streuung!
HERA: Ideales Laborzur Untersuchung der Partondynamik im Proton.
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 8
Elektron-Proton-StreuungVerdeutlichung von x und Q2
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 9
DieStrukturdesProtons
kleine x:
mittlere x:Scaling!!!
grosse x:
Spannend: - Beschreibt Theorie die Daten?- Welche Präzision brauchen wir, um am LHC Physik zu machen?
[x: Impulsanteil desGestreuten Quarks am Protonimpuls]
Feynman etc.: Punkt-foermige Partonen
ohne Wechselwirkung!!!
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 10
Die Protonstruktur – PDFs*… etwas unanschaulich …
*PDF = parton distribution function
Beachte den Unterschiedzwischen Valenz- undSeequarks und Gluonen!
Die Angabe von (sinnvollen)Fehlern ist noch sehr neu!
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 11
Elektroschwache TheorieErster Schritt zur “Unification”
Q2 gross (NC) = (CC)
[Elektroschwache Ver-einheitlichung]
Bis jetzt alle Wirkungsquerschnittevon der Theorie beschrieben!
,Z,W?Egal !!!!
Neu: Polarisierte Strahlen! Unter-suchung der schwachen WW (W-Boson sollte nur linkshändig koppeln)
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 12
Die starke Weckselwirkung: QCDDie andere Kraft …
BGF: Boson-Gluon-Fusion
QCD-C: QCD-Compton-Events
… die nächste Ordnung …
s!
(Transversale) Energie der Jets
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 13
Besonders nett: sEin (zum Glueck) universeller Parameter
s ist der fundamentaleParameter der QCD (wieEM im Falle der QED).
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 14
Physik schwerer Quarks IKomplexer wegen hoher Massen!
“Open charm production”
D*
s+
+
K-
D0
“Golden D* decay”
Rest
x
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 15
Physik schwerer Quarks II
Erstes Mal Daten durchTheorie beschrieben?
Beauty-Wirkungs-querschnitte nichtverstanden?
Methoden: pT,rel, Impakt-Parameter, (stat. Trennung)
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 16
Die Suche nach neuer Physik… noch ganz frisch: Pentaquarks uuddsKs
0p+-p
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 17
Die Suche nach neuer Physik… eigentlich das Interessanteste
Zweifach geladeneHiggs-Bosonen: e+ e-H++
[Ladungsvorzeichen des Leptons wechselt; 3 Leptonen im Endzustand]
RP-verletzende SUSY: z.B. ed gravitino
Leptoquarks: eq eq[Resonanzen in inv. Masse; ~high-Q2-DIS mit e+Jet]
Finden wir Physik jenseitsdes Standard-Modells?Neue Wechselwirkungen?
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 18
Das DESY-UmfeldViele Beschleuniger und einiges an Geschichte
Derzeit 920-GeV-Protonenauf 27.5-GeV-Positronen.
Entdeckung des Gluons bei PETRA
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 19
HERA-PerformanceIm Vergleich der Jahre: Steile Lernkurve!
HERA I:e+p-Streuung: 100 pb-1
e-p-Streuung: 15 pb-1
HERA II:Ziel: 1000 pb-1 bis 2006/7
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 20
H1 und ZEUSDie einzigen ep-Experimente
• Internationale Kollaborationen mit Beteiligung von ca. 300-400 Physikern aus 14 Ländern und 59 Instituten (ZEUS).
• Teilchendetektoren in den Hallen Nord (H1) und Süd (ZEUS) des HERA-Rings.– Vielzweckapparate (Messung von Energien und Impulsen
einer Vielzahl von Teilchen über fast 4.– Asymmetrischer Aufbau, da Schwerpunkt gegenüber dem
Labor bewegt ist (Ee = 27.5 GeV, Ep = 920 GeV, Massen!).
– Datennahme seit 1992; Betrieb bis Mitte 2007[Anmerkung: Es gibt zur Zeit nicht viele laufende HEP-Experimente!]
Nachher Besichtigung von H1 und ZEUS!
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 21
Das ZEUS-ExperimentZwiebelschalenfoermiger Aufbau
e
p
Wechselwirkungspunkt
Vertex-DetektorNachweis der Zerfaelle
langlebiger Teilchen
SpurkammernFeld/Signal-Draehte
(Ionisationsnachweis,Impulsmessung
geladener Teilchen)
Uran-Kalorimeter(Energiemessung neutraler
und geladener Teilchen)
Solenoid
WeitereKalorimeter
Muon-Kammern20*12*11 Meter
3600 TonnenCa. 25 Komponenten
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 22
Das ZEUS-KalorimeterEnergiemessung mit Uran
Teilchen deponieren Energie in Szintillator Licht!
electron
anode
vacuum dynodes
Licht wird mit Lichtleitern zu Photomultipliern (Sekundaer-elektronenvervielf.) gebracht
Vom Photomultiplier zum elektronischen Signal
Kalorimeter-Geometrie Ein Barrel-Modul
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 23
ZEUS-MVDSpurmessung mit 20 mZeus hat einen neuen Silikon-Mikrovertex-Detektoreingebaut, der der genauen Spurmessung am WW-Punktdienen soll. Uni HH war massgeblich beteiligt !
e p
Wechselwirkungspunkt
360k elektrischeKanaele im Readout!600 Silizium-Streifendetektoren
Schwere Mesonen = hohe Lebensdauern Zerfall nach ~mm! Nachweis d. Vertex b,c-Physik.
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 24
Arbeit in einer KollaborationArbeitsteilung und Teams (ZEUS)
Aufteilung 1: Institute (z.B. UHH)- Gutachter der (Diplom-)Arbeiten; - oft mehrere Leute an einem Thema- interne Diskussion
Aufteilung 2: Subdetektor (z.B. Kalorimeter)- Oft quer durch die Institute.- Jeder muss fuer das Experiment arbeiten. - Hardware-Erfahrung wichtig
Aufteilung 3: Physik-Gebiet (z.B. QCD)- Regelmaessige Treffen derer, die auf einem Gebiet arbeiten;- Interner Review-Prozess
“wise men”
“conveners”
“coordinators”
“Spokesperson”“Physics Chair”
“Run Coordinator”
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 25
Diplomarbeit: Warum Teilchenphysik?
Physik, Detektoren, Computing Fundamentale Fragen, moderne Technologien Präzise Messungen
Internationale Kollaborationen Teamarbeit in kleiner Gruppe enge Betreuung, relevante Ergebnisse soziale Erfahrung
Meetings, Vorträge, Schulen, Konferenzen
In Forschung, Wirtschaft, Industrie
VielseitigeUmgebung
GuteZukunfts-
Perspektive
Kommuni-kation
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 26
Diplomarbeit: Warum HERA?
Alle Aspekte experimenteller Teilchenphysik
Interessante Ergebnisse, Potential lange nicht ausgeschöpft! HERA-II-Daten mit Spannung erwartet !!! Relevant für zukünftige Experimente (LHC!).
Hardware und Software nicht nur entwickeln, sondern unter teilweise harten Bedingungen benutzen
Technik oft an der Entwicklungsfront: Halbleiter-Detektoren, Elektronik, OO-Software.
LaufendeExperimente
Technik
BisherigeDaten
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 27
Als Diplomand …
…kann man
…muss man
…soll man
… eigentlich alles machen:- Physikanalyse von HERA-Daten [bahnbrechende Ergebnisse kann man aber nicht versprechen ;-) ]- Hardware-Entwicklung HERA/CMS - Software-Entwicklung HERA/CMS- spezifische Interessen können i.A. leicht berücksichtigt werde
- sich umschauen- sich qualifizieren- und Spass haben.
- sich eine Gruppe / einen Betreuer aussuchen- in 12 Monaten fertig sein.
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 28
Themen (locker assoziiert)
• Inbetriebnahme des ZEUS-MVD (ZEUS)• Inbetriebnahme des Forward Trackers (ZEUS)• Inbetriebnahme des Fast Track Triggers (H1)• Inbetriebnahme der neuen Lumi-Systeme• Konstruktion und Test von CMS-Detektoren…
• Entwicklung objektorientierter Software (H1)
• Analyse von Ereignissen mit schweren Quarks• Suche nach neuer Physik (Supersymmetrie)• Messung der PDFs bei hohen x in Jet-Ereignissen
Typischerweise Mischung von Analyse, Software- und Hardware-Betreuung.
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 29
Diplomarbeit ist anders …… als das Studium!
• Stark arbeitsteilige Organisation der Arbeit in kleinen Teams
• Experimenteller Ansatz [eine gewisse Frustrationstoleranz ist nötig ;-) ]
• Zahlreiche Hardware-Aufgaben [Teststand, Elektronik, Logistik, …]
• Anwendung von Software/Computing– Zur Analyse grosser Datenmengen– Zur Simulation / Lösung komplexer Probleme– Programmierkenntnisse vorteilhaft aber nicht zwingend
[Fortran, C, C++, paw, ROOT, JAVA, CGI, PERL, PYTHON, …]
• Interesse an Teilchenphysik [Theorie, Modelle, Nachweis]!
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 30
Kontakte… auch jeder Diplomand/Doktorand
.. Und jeder Diplomand oder Doktorand bei H1 und ZEUS!
ZEUS [http://www-zeus.desy.de]
H1 [http://www-h1.desy.de]
- Prof. R. Klanner, Tel. 8998-3023, 1c/379, [email protected] Prof. P. Schleper, Tel. 8998-2957, 67b/24, [email protected] Dr. T. Schörner-Sadenius, Tel. 8998-2954, 67b/22,
- Prof. B. Naroska, Tel. 8998-3804, 1c/282, [email protected]
UHH, 17. Februar 2005 TSS: HERA 31
Zusammenfassungbetreibt relevante und interessante Physik- Vermessung des Protons; EM, EW, QCD- Suche nach neuer Physik- Vorbereitung auf pp-Physik bei LHC
HERA
Bis 2007(und danach) werden Physiker gesucht, die- Daten auswerten- die Detektoren mitbetreiben [Schichten, Verantwortung für Komponenten]- die Arbeit in einer internationalen Kollaboration geniessen [Qualifikation!].
Arbeits-markt
Gibt es arbeitslose Hochenergiephysiker?- Banken, Versicherungen, Beratungen- F+E in der Industrie und Selbstaendigkeit