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21. Mai 2015

Energieabgabe im Kalorimeter des CMS Experiments als Folge einer Kollision zweier Protonen bei einer Energie von 2 x 6.5 TeV.

In der Nacht vom 20. auf den 21. Mai wurden im Large Hadron Collider am CERN erstmals Protonen mit einer Energie von jeweils 6.5 TeV (1) zur Kollision gebracht – ein neuer Rekord.

Diese zu Testzwecken ausgeführten Kollisionen, die während einiger Stunden stattfanden, stellen einen weiteren Schritt in der Vorbereitung des Beschleunigers für die nächste Datennahmeperiode dar, deren Beginn für Juni vorgesehen ist. Die während des Testlaufs aufgezeichneten Daten werden auch vom CMS Experiment, an dem HEPHY beteiligt ist, für eine Verfeinerung und Kontrolle der Detektoreinstellungen verwendet.

(1) Eine Energie von 6.5 TeV entspricht etwa der 7000fachen Masse eines Protons.

Weitere Informationen finden Sie unter http://home.web.cern.ch/about/updates/2015/05/protons-set-collide-13-tev-prepare-physics bzw. http://home.web.cern.ch/about/updates/2015/05/first-images-collisions-13-tev


14. Mai 2015

Abbildung 1: Massenspektrum beobachteter Myonpaare (schwarze Punkte), das sich aus Bs0 bzw. B0 Zerfällen (farbige Flächen) bzw. Untergrundereignissen (strichlierte Linien) zusammensetzt (1).

In einer in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie berichten die CMS und LHCb Kollaborationen die erstmalige Beobachtung des Zerfalls sogenannter Bs0 Mesonen in Myonpaare basierend auf Daten, die am LHC Beschleuniger am CERN in den Jahren 2011 und 2012 aufgezeichnet wurde. Im Durchschnitt zerfallen nur etwa drei aus einer Milliarde dieser Mesonen in Myonen. Die Messung ist von besonderem Interesse, da sich diese Rate in Anwesenheit neuer Teilchen oder Prozesse deutlich ändern könnte.

Das derzeitige „Standardmodell“ der Teilchenphysik erlaubt die präzise Berechnung der Zerfallsraten von Bs0 bzw. B0  Mesonen (Teilchen, die aus einem b Quark und einem Antiquark bestehen) in Paare von Myonen. Diese Vorhersagen liegen in der Größenordnung eines solchen Zerfalls für eine Milliarde Mesonen. Eine Messung dieser Rate ist daher schwierig, aber von großem Interesse, da viele Erweiterungen des Standardmodells deutlich andere Werte vorhersagen. Solche Erweiterungen sind notwendig, um bisher unerklärte Phänomene wie die Dunkle Materie in unserem Universum zu beschreiben. Indirekte Suchen nach dieser „Neuen Physik“, die sich auf die Messung möglicher Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells stützen, ergänzen die direkten Suchen nach Produktion neuer Teilchen in den Kollisionen am LHC.

Die individuellen Resultate beider Experimente wurden 2013 veröffentlicht. Beide Experimente sahen Anzeichen für Zerfälle von Bs0 Mesonen in Myonpaare, allerdings erreichte keine der beiden Messungen eine Signifikanz von 5 Standardabweichungen (1), die üblicherweise als Schwelle für eine neue Beobachtung gilt. Die beiden Kollaborationen entschlossen sich daher zu einer gemeinsamen Analyse ihrer Daten. Eine solche Kombination erlaubt durch die höhere Zahl beobachteter Ereignisse eine größere Genauigkeit, erfordert allerdings detaillierte Studien aller Effekte, welche die Ergebnisse beider Experimente in gleicher Art beeinflussen könnten. Das kombinierte Resultat, das nun veröffentlicht wurde, erreicht eine Signifikanz von 6.2 Standardabweichungen und stellt damit eindeutig die erste Beobachtung dieses Zerfalls dar (Abbildung 1). Es wurden auch erste Anzeichen für entsprechenden Zerfall von B0 Mesonen gefunden. Beide Messungen sind mit den Vorhersagen des Standardmodells verträglich.

Der LHC Beschleuniger und die Experimente sind derzeit in der letzten Phase der Vorbereitung für die neue Betriebsperiode. Die neuen Daten werden eine deutliche Erhöhung der Präzision der Messung der Zerfallsraten erlauben und damit zu einer besseren Unterscheidung zwischen dem Standardmodell und verschiedenen Szenarien „Neuer Physik“ beitragen.

Weitere Informationen finden Sie unter: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14474.html

(1) Eine Signifikanz von 5 Standardabweichungen entspricht einer Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Fluktuation des Untergrunds im beobachteten Ausmaß von etwa 1 in 3 Millionen.

14. April 2015

Momentaufnahme des Innenlebens eines Protons (Quelle: DESY Hamburg)

Der „High Energy and Particle Physics“-Preis der Europäischen Physikalischen Gesellschaft geht in diesem Jahr an fünf theoretische Physiker, die mit ihren grundlegenden Arbeiten wesentlich zur Beschreibung der Struktur des Protons beigetragen haben.

Die Preisträger sind James D. Bjorken (SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford, USA) „für die Vorhersage, wie sich die Struktur des Protons bei verschiedenen Energieskalen verhält, und uns damit ein neues Verständnis für die starke Wechselwirkung gebracht hat“ und Guido Altarelli (University of Roma Tre, Rom, Italien und CERN, Genf, Schweiz), Yuri Dokshitzer (Laboratory of Theoretical and High Energy Physics, Paris, Frankreich und St. Petersburg Nuclear Physics Institute, Gatchina, Russland), Lev N. Lipatov (National Research Center „Kurchatov Institute“, Petersburg Nuclear Physics Institute, Gatchina, Russland) sowie Giorgio Parisi (University of Rome, La Sapienza, Rom, Italien) „für die Entwicklung einer auf Wahrscheinlichkeiten basierenden feldtheoretischen Beschreibung der Dynamik von Quarks und Gluonen, die ein quantitatives Verständnis von hochenergetischen hadronischen Kollisionen ermöglicht“.

Die Preisverleihung wird bei einer Festveranstaltung im Rahmen der „European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPS-HEP2015)“ (http://eps-hep2015.eu) am 27. Juli in Wien stattfinden.

Ende der 50’er Jahre wurde bei der Suche nach einem tieferen Verständnis der Struktur der Materie klar, dass der Atomkern aus kleineren Bausteinen, Protonen und Neutronen, den sogenannten Nukleonen, besteht. Ausserdem wurde vorgeschlagen, dass diese Bausteine ebenfalls aus noch kleineren Bausteinen, den sogenannten Quarks, zusammengesetzt sind. Die Physiker hatten jedoch weder eine Vorstellung, wie sie diese kleinen Bausteine beobachten können, noch hatten Sie eine Theorie, die ihr dynamisches Verhalten konsistent beschreiben konnte. Im Jahr 1968 studierte J.D. Bjorken die mathematischen Eigenschaften der Streuung von hochenergetischen Elektronen an Protonen, in einem Bereich, in dem die Protonen einen unendlich hohen Impuls besitzen. Dabei hat er herausgefunden, dass die Protonenstruktur unabhängig vom Energieübertrag des Elektrons ist, der Größe, die die Auflösungsskala des Prozesses bestimmt. Basierend auf dieser Eigenschaft, das sogenannte Skalenverhalten der Struktur des Protons, schlug er vor, dass das Elektron an einem punktförmigen Baustein des Protons streut, einem sogenannten Parton. Seine Erkenntnis wurde bald darauf experimentell bestätigt und diese Partonen stimmen mit den sogenannten “Quarks” überein, die bereits zuvor postuliert wurden. Diese Entdeckung führte schliesslich zur Entwicklung einer Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung, der Quanten-Chromo-Dynamik (QCD).

Aus diesem Partonmodell resultiert eine auf Wahrscheinlichkeiten basierende Impulsverteilung der Partonen (d.h. die Quarks und die für die Bindung zuständigen Gluonen) innerhalb des Protons. Kollisionen welche hochenergetische Protonen beinhalten, können durch Kollisionen von elementaren Partonen beschrieben werden. Eine konsistente Beschreibung durch das Partonmodell im Rahmen der QCD-Störungstheorie wurde 1977 von G. Altarelli und G. Parisi und, unabhängig davon, von Y. Dokshitzer erreicht, dessen Ergebnisse sich auf die Vorarbeiten von G.N. Gribov und L.N. Lipatov stützen. Auch wenn die Impulsverteilung innerhalb des Protons nicht vorhergesagt werden kann, erlauben diese Gleichungen, die sogenannten DGLAP-Gleichungen, aufgrund von QCD-Prozessen die Vorhersage der Impulsverteilung bei unterschiedlichen Auflösungsskalen. Zudem liefern diese Gleichungen, durch die Abstrahlung von Gluonen vor der eigentlichen Wechselwirkung, eine physikalische Erklärung für die logarithmische Abweichung von der von Bjorken vorhergesagten Skalenunabhängigkeit. Dieses durch die QCD verbesserte Partonmodell wurde vielfach mit höchster Präzision experimentell bestätigt und erlaubt exakte Vorhersagen von Wirkungsquerschnitten von Hadronkollisionen. Daher sind diese Gleichungen ein wichtiger Eckpfeiler für die Interpretation aller am Large Hadron Collider durchgeführten Messungen, sowohl bei der Produktion von bekannten Elementarteilchen, als auch bei der Produktion des 2012 entdeckten Higgs-Bosons.

Professor Jochen Schieck (Institut für Hochenergiephysik der ÖAW und Technische Universität Wien), Vorsitzender des lokalen Organisationskomitees der Konferenz EPS-HEP2015 in Wien, würdigt die Arbeiten: “Die höchsten Energien können nur durch die Kollision von Protonen erreicht werden. Ohne die grundlegenden theoretischen Studien der Preisträger wäre eine schlüssige Interpretation von Protonenkollisionen nicht möglich. Die Gleichungen sind daher ein wichtiger Schlüssel für die Entdeckung und die Deutung neuer Phänomene bei höchsten Energien.”

Weiterführende Informationen:

http://www.scholarpedia.org/article/Bjorken_scaling

http://www.scholarpedia.org/article/QCD_evolution_equations_for_parton_densities

http://eps-hepp.web.cern.ch/eps-hepp/

8. April 2015

Darstellung eines im CMS-Experiment registrierten “beam splash”-Ereignisses.

Nach zwei Jahren, die der Vorbereitung des LHC am CERN für den Betrieb bei höheren Energien dienten, waren Beschleuniger und Experimente am Osterwochenende bereit für den Neustart. Innerhalb weniger Stunden zirkulierten zwei Strahlen von Protonen wieder im Beschleuniger. Das CMS-Experiment beobachtete dabei auch erste Kollisionen, die in diesem Fall aber zwischen umlaufenden Protonen und Beschleunigerelementen stattfanden und der Kalibration des Detektors dienen.

Die bisher letzten Kollisionen im LHC wurden im Jahr 2012 aufgezeichnet. Die Analyse dieser Daten bestätigte unter anderem die Existenz eines sogenannten Higgs-Bosons. In den Jahren 2013 und 2014 wurde der Beschleuniger für den Betrieb bei deutlich höheren Strahlenergien – und entsprechend höheren Strömen in den supraleitenden Magneten – vorbereitet. Das CMS-Experiment nützte diese Zeit für Wartungs- und Verbesserungsarbeiten an verschiedenen Detektorelementen und der Datenerfassung. Das Triggersystem, das interessante Kollisionen für die weitere Auswertung auswählt, wurde von HEPHY modernisiert und für den Betrieb bei höheren Kollisionsraten vorbereitet.

In den letzten Monaten wurden die LHC-Magnete wieder auf die Betriebstemperatur von etwa -271°C abgekühlt. Am Ostersonntag traten die Vorbereitungsarbeiten in eine entscheidende Phase ein: zum ersten Mal seit zwei Jahren wurde ein Protonstrahl wieder in den LHC eingeleitet. Bei jeder Wiederholung dieses Vorgangs wurden die Protonen einen Sektor (1/8 des Umfangs, d.h. etwa 3km) weitergeleitet, bis zum vollen Umlauf der Teilchen im Beschleuniger. Dabei wurden auch wiederholt “splashes” für das CMS Experiment erzeugt: dabei werden die Protonen auf ein Hindernis knapp vor dem Experiment geleitet. Die dabei entstehenden Sekundärteilchen “besprühen” den Detektor und werden von vielen Detektorelementen gleichzeitig registriert. Mit dieser Technik können die verschiedenen Teile von CMS untereinander und mit dem Beschleuniger synchronisiert werden.

Die Rückkehr der Strahlen in den LHC ist ein wichtiger Schritt zur Wiederaufnahme des Physikbetriebes, dem im kommenden Monat allerdings viele weitere folgen müssen: vor allem die Beschleunigung der Protonen auf die neue Rekordenergie von 6.5 TeV. „Die Physiker des CMS-Experiments erwarten mit Ungeduld die ersten Proton-Proton Kollisionen bei dieser Energie“, sagt Wolfgang Adam, leitender Wissenschafter am HEPHY. „Die Beobachtung dieser Kollisionen wird die genauere Messung der Eigenschaften des Higgs-Bosons ermöglichen und uns der Antwort nach fundamentalen Fragen, wie der nach dem Ursprung der dunklen Materie im Universum, näherbringen.“

Proton-Proton-Kollisionen bei diesen bisher unerreichten Energien werden erst in den nächsten Monaten erwartet. Die ersten Ergebnisse aus diesen Kollisionen werden bei der Tagung der Europäischen Physikalischen Gesellschaft (eps-hep2015.eu) präsentiert. Diese Konferenz findet vom 22.-29. Juli erstmalig in Wien statt und wird die größte Konferenz im Bereich der Teilchenphysik in diesem Jahr sein. Die Konferenz wird vom Institut für Hochenergiephysik gemeinsam mit der Universität Wien, der Technischen Universität Wien und dem Stefan-Meyer-Institut der ÖAW organisiert.

10. März 2015

Auf der Suche nach dem Higgs-Boson bei den Internationalen Masterclasses 2015: Schülerinnen und Schüler werten die Daten vom CMS (Compact Muon Solenoid) Experiment am CERN in Genf aus.

 

Das Institut für Hochenergiephysik (HEPHY) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften lud am Freitag dem 6. März 2015 interessierte Schülerinnen und Schüler zur Internationalen Masterclasses 2015 in Wien ein. 24 Jugendliche aus 12 Schulen lernten dabei in Vorträgen die Grundlagen und Techniken der Teilchenphysik kennen und wandten anschließend die Forschungsmethoden selber hautnah am Computer an. Sie identifizierten mit Begeisterung mit Hilfe eines Event-Displays die Elementarteilchen in Teilchenkollisionen am CMS-Experiment, suchten und fanden W- und Z-Bosonen und das seltene, erst 2012 entdeckte, Higgs-Boson. Viel Spaß hatten die Jugendlichen beim Vergleichen der Ergebnisse in einer anschließenden Videokonferenz mit den Teilnehmern der anderen internationalen Forschungseinrichtungen und dem CERN, natürlich in Englisch. Neben Wien waren mit dabei die Schülerinnen und Schüler aus Genova (IT), Lyon (FR), São Paulo (BR) und Zagreb (CR). Zum Abschluss der Videokonferenz wurde das Wissen aller Teilnehmer in einem Quiz getestet.

27. Januar 2015

Zahlreiche HEPHY Wissenschaftler reisen diesen Februar nach München um an einem internationalen Dunkle Materie workshop am Institut für Astro- und Teilchenphysik teilzunehmen.

Während astronomische Beobachtungen Dunkle Materie durch ihre Schwerkraft eindeutig nachweisen, ist eine Messung der teilchenphysikalischen Eigenschaften erst im Laufe der letzten Dekade in den Bereich des wirklich Möglichen gerückt.

Über 80 Teilnehmer aus Europa, Nordamerika und Asien werden sich im Laufe des Monats über den aktuellen Stand des Feldes und deren Zukunft austauschen. Die Leiter der experimentellen und theoretischen Dunkle Materie Gruppen am HEPHY, Jochen Schieck und Josef Pradler, sind Mitkoordinatoren dieses Workshops, der sich seit 2013 in Planung befindet.

Weitere Informationen zum Workshop finden Sie unter:

http://indico.cern.ch/e/DarkMALT2015

http://www.munich-iapp.de/scientific-programme/programmes-2015/dark-matter/

Weitere Informationen zum Feld "Dunkle Materie":

http://www.hephy.at/forschung/projekte/cressteureca/

http://www.hephy.at/forschung/projekte/theorie/dunkle-materie/

28. November 2014

Am 27. November 2014 lud das Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und das Doktoratskolleg Particles and Interactions zur Filmvorführung „Particle Fever“ ins CineCenter Kino ein.

Etwa 200 Besucherinnen und Besucher verfolgten mit Interesse den Dokumentarfilm, der sechs Wissenschaftler am CERN von der Bauphase der LHC Experimente bis zur Entdeckung des Higgs-Bosons begleitet. Bei der anschließenden Fragerunde mit CERN-Physiker und Darsteller Martin Aleksa, Manfred Krammer und Erica Brondolin vom HEPHY, Andre Hoang von der UNI Wien und Moderator Norbert Frischauf wurde angeregt über das Forschungszentrum CERN, den weltgrößten Teilchenbeschleuniger und die spannende Jagd nach dem Higgs-Teilchen diskutiert.

Für diejenigen, die nicht zu der Filmvorführung kommen konnten bzw. keine Karten mehr erhalten haben: Es wird eine weitere Filmvorführung im Februar/März 2015 stattfinden. Die Ankündigung werden Sie hier auf unserer Homepage finden.

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