Keyword: Teilchenphysik

Oliver Brüning und Helmut Burkhardt
03 / 2023 Seite 45
Mitglieder

Ausbau für mehr Kollisionen

Der Large Hadron Collider (LHC) ist derzeit der weltweit größte und leis­tungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Er befindet sich in einem ringförmigen Tunnel mit knapp 27 Kilometern Umfang am CERN bei Genf. Der Tunnel stammt aus den 1980er-Jahren; von 1989 bis 2000 war dort der Large Electron-Positron Collider in Betrieb [1].

Zwei Größen bestimmen im Wesentlichen die Leis­tungsfähigkeit eines Beschleunigers für die Hoch­energiephysik: die erreichbare Kollisionsenergie und die Luminosität – ein Wert, der angibt, wie viele Kollisionen pro Fläche und Zeit auftreten können. Die Inbetriebnahme des Large Hadron Collider (Abb. 1) begann Ende 2009 mit einer Strahlenergie von 450 GeV. Mit dieser Injektionsenergie füllt das Super Proton Synchrotron (SPS) den LHC mit Protonenpaketen. Diese bewegen sich im Tunnel in umgekehrter Richtung in zwei Ringen, die einen Abstand von 19,4 Zentimetern besitzen (Abb. 2). An vier Kreuzungspunkten können die Teilchen nahezu frontal aufeinanderstoßen, wobei die doppelte Strahlenergie als Kollisionsenergie erreicht wird. Im März 2010 kollidierten am LHC Protonenstrahlen mit 2 × 3,5 TeV = 7 TeV, was den bisherigen Rekord von 1,96 TeV, aufgestellt am Tevatron des Fermilab (Illinois, USA), deutlich übertraf. 

Danach schritt am LHC die Leistungsfähigkeit schnell voran [2]: Für die höhere Luminosität sorgten mehr Teilchenpakete in den Ringen und kleinere Strahlgrößen an den Kreuzungspunkten. Das Tevatron stellte am 30. September 2011 den Betrieb ein; zu diesem Zeitpunkt lieferte der LHC bereits fast zehnmal mehr Luminosität als das Tevatron. Die erfolgreiche Beschleunigerentwicklung am LHC krönten die beiden großen Experimente ATLAS und CMS am 4. Juli 2012 durch den experimentellen Nachweis des Higgs-Bosons. (...)
 

weiterlesen
Dieser Artikel ist nur für registrierte Nutzer zugänglich. Bitte melden Sie sich an oder registrieren Sie sich um auf diesen Artikel zugreifen zu können.
Forschung

Es gibt keine sterilen Neutrinos

11.01.2023 -

Finale Ergebnisse der STEREO-Kollaboration schließen Existenz des zusätzlichen Neutrino-Zustands aus.

Andreas Hinzmann, Alexander Huss und Kristin Lohwasser
10 / 2022 Seite 27
DPG-Mitglieder

Vierblättriger Vektorboson-Klee

Wenn die Eichbosonen des Standardmodells der Teilchenphysik miteinander wechselwirken, könnten sich dabei Hinweise auf Physik jenseits der etablierten ­Theorie zeigen. Nun ist es mithilfe neuer Methoden bei der Datenanalyse erstmals gelungen, die Wechselwirkung zwischen vier Eichbosonen am Large Hadron Collider zu beobachten: die Vektorboson-Streuung. Dieser Meilenstein erlaubt es, den Higgs-Mechanismus tiefergehend zu verstehen.

unser gesamtes gegenwärtiges Wissen über Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen. Mathematisch als Quantenfeldtheorie formuliert, macht es sehr konkrete Vorhersagen, die sich experimentell überprüfen lassen. Das Konstruktionsprinzip dieser erfolgreichen Theo­rie basiert auf Eichsymmetrien. Diese beschreiben die Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen durch den Austausch zugehöriger Eichbosonen, die mit einer gewissen Stärke aneinander koppeln. Eichbosonen sind selbst Elementarteilchen mit einem Spin von 1; sie heißen daher auch Vektorbosonen. Als Beispiel beschreibt der Austausch von Photonen die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen elektrisch geladenen Teilchen. 
Die Forderung von Symmetrien schränkt die Theorie jedoch stark ein. So verbietet sie zunächst jegliche Massen für die Austauschteilchen der Wechselwirkungen − ein wortwörtlich massives Problem bei der Formulierung des Standardmodells in den 1950er- und 1960er-Jahren. Erst die Einführung eines neuen Quantenfeldes, des Higgs-Feldes, ermöglichte massive Austauschteilchen. Im mathematisch-theoretischen Jargon bricht das Higgs-Feld die Symmetrie spontan. Dieser mathematische Trick erlaubte es, die Exis­tenz massiver Vektorbosonen konsistent in das Modell zu integrieren. Die Prozedur ist als Higgs-Mechanismus bekannt und sagt ein Teilchen ohne Spin vorher: das Higgs-Boson. Vor zehn Jahren gelang es am Large Hadron Collider, dieses nachzuweisen; im Jahr darauf erhielten Peter Higgs und François Englert für ihre Vorhersage den Physik-Nobelpreis. (...)

weiterlesen
Dieser Artikel ist nur für DPG-Mitglieder zugänglich. Bitte melden Sie sich an oder registrieren Sie sich um auf diesen Artikel zugreifen zu können.
Andrea Knue, Alexander Grohsjean und Peter Uwer
06 / 2022 Seite 29
DPG-Mitglieder

Von der Nadel im Heuhaufen zur Kompassnadel der Teilchenphysik

Ein Vierteljahrhundert nach der Entdeckung des Top-Quarks am Tevatron-Beschleuniger des Fermilab öffnet der Large Hadron Collider am CERN die Tür zu einem neuen Bereich der Teilchenphysik. Entsprach der Weg zur Entdeckung noch der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen, produziert der LHC heute Top-Quarks millionenfach. Die damit erreichbare Genauigkeit erlaubt nicht nur detaillierte Tests des Standardmodells der Teilchenphysik, sondern kann auch den Weg zu seinen möglichen Erweiterungen weisen.

Das Top-Quark spielt im Standardmodell der Teilchenphysik eine besondere Rolle. In den 1970er-Jahren zeigte sich, dass Fermionen (Teilchen mit halbzahligem intrinsischen Drehimpuls) in Familien auftreten, von denen jede aus zwei Quarks, einem geladenen Lepton und einem Neutrino besteht. Diese Familien unterscheiden sich nur durch die Massen der enthaltenen Fermionen. Anfangs waren nur zwei Familien bekannt: Zur ersten Familie gehören u- und d-Quark, Elektron und Elektron-Neutrino, zur zweiten c- und s-Quark, Myon und Myon-Neutrino. Die Entdeckung des τ-Leptons 1975 und des b-Quarks 1977 lieferten jedoch Hinweise auf eine dritte, schwerere Familie. Zu diesem Zeitpunkt fehlte ihr zugehöriges Neutrino sowie ein zweites Quark, das Top-Quark. Obwohl das Standardmodell außer der Masse alle Teilchen-Eigenschaften vorhersagt, führten die intensiven Suchen erst nach fast zwanzig Jahren zum Nachweis des Top-Quarks. Seine für subatomare Verhältnisse riesige Masse – es ist fast 35-mal schwerer als ein b-Quark und damit fast so schwer wie ein Goldatom – macht das Top-Quark einzigartig und stellte die damaligen Experimente vor große Herausforderungen. (...)

weiterlesen
Dieser Artikel ist nur für DPG-Mitglieder zugänglich. Bitte melden Sie sich an oder registrieren Sie sich um auf diesen Artikel zugreifen zu können.
Forschung

Antiprotonen in einer Superflüssigkeit

18.03.2022 -

Ein neuer Weg für hochsensitive Messungen an Antimaterie.

DPG

Kleine Teilchen – große Chancen

17.03.2022 -

Virtuelle Frühjahrstagung der Sektion Materie und Kosmos der DPG.

Panorama

Paolo Giubellino bleibt wissenschaftlicher Geschäftsführer von GSI und FAIR

24.02.2022 -

FAIR-Council und GSI-Aufsichtsrat konnten international renommierten Wissenschaftler für eine zweite Amtszeit gewinnen.

Forschung

Bislang genauester Vergleich zwischen Protonen und Antiprotonen

11.01.2022 -

Daten ermöglichen außerdem einen strengen Test des schwachen Äquivalenzprinzips.

Webseminar: Simulation für die Raumfahrt

Dienstag, 21.März 2023, 14:00 Uhr
Im Webseminar lernen Sie mehr über die Rolle von Simulation beim Umsetzen von Weltraumforschungs- und Entwicklungsprojekten.

Zur Registrierung

Sumitomo (SHI) Cryogenics of Europe GmbH

Unser kompetentes Vertriebs- und Service-Team in Darmstadt berät Sie individuell und persönlich bei der Entscheidung für die best mögliche Lösung für Ihre jeweilige Anwendung.

Kontaktieren Sie uns

Webseminar: Simulation für die Raumfahrt

Dienstag, 21.März 2023, 14:00 Uhr
Im Webseminar lernen Sie mehr über die Rolle von Simulation beim Umsetzen von Weltraumforschungs- und Entwicklungsprojekten.

Zur Registrierung

Sumitomo (SHI) Cryogenics of Europe GmbH

Unser kompetentes Vertriebs- und Service-Team in Darmstadt berät Sie individuell und persönlich bei der Entscheidung für die best mögliche Lösung für Ihre jeweilige Anwendung.

Kontaktieren Sie uns