Der Griffiths

Als Student fand ich ein Buch über die Teilchenphysik so toll:

David Griffiths: Introduction to Elementary Particles

Damals war es in der ersten Auflage erhältlich. Was ist so gut an diesem Werk? Es ist geeignet für Masterstudenten, weil so vieles erklärt wird, was andere Bücher stillschweigend voraussetzen. Man bekommt eine Einführung in die spezielle Relativitätstheorie und die Tensornotation. Man versteht, was mit ko- und kontravariant gemeint ist. Die Diracgleichung wird gelöst und das Rechnen mit Gammamatrizen geübt. Die Feynmanregeln für QED, QCD und die elektroschwache Wechselwirkung werden postuliert und Wirkungsquerschnitte und Zerfallsraten berechnet. Schleifen (loops) wurden weitgehend ausgespart, aber das sind mathematisch sehr tiefe Gewässer. Es wird gezeigt, wie color factors zu bestimmen sind. Und endlich verstand ich, wozu die Luminosität gebraucht wird: Ereignisrate gleich Wirkungsquerschnitt mal Luminosität.

Feynman

In meiner Zeit als Teilchenphysiker war Richard Feynman mein Held. Nicht nur dass er die Feynman-Diagramme eingeführt hatte, die die Hochenergiephysik so viel begreiflicher machten. Er hatte auch viel Humor. In einer Zeit, in der mir wenig zum Lachen zumute war, las ich sein Buch „Sie belieben wohl zu scherzen, Mr. Feynman!“ und ich fand es wunderbar, was ein neugieriger, intelligenter Charakter alles erleben kann. Später las ich die Biographie von Jagdish Mehra „The Beat of a Different Drum“. Der Titel spielt auf Feynmans Originalität und Trommelbegeisterung an. In einem Nachruf wurde er bezeichnet als „a physicist’s physicist“, als ein Physiker durch und durch. Manche mögen ihn für arrogant gehalten haben, aber seien wir ehrlich: Die allermeisten Menschen überschätzen ihre Intelligenz 😉

 

Jets in QCD

What are jets? What does QCD mean?

The intuitive picture of a jet is a collimated spray of particles which is created by the collision of two particles in a high energy physics experiment. (There can be more than one jet.) Quantum chromodynamics (QCD) is the physical theory behind them. It states that a certain class of particles, hadrons, are built of quarks and gluons. If a quark or gluon is scattered, a jet is created. A quark or gluon has never been observed as a free elementary particle and QCD states that this is not possible. Instead after a scattering new particles are created very rapidly that can be observed. Regarded as a jet they have the momentum of the scattered quark or gluon. The exact definition of a jet is not trivial and there are sophisticated algorithms to find them.

Why are jets interesting to physicists?

With their aid conclusions can be made on the fundamental process without having to measure a free quark or gluon.

The Plug Calorimeter

I am going to summarise my diploma thesis in plain words. It was a simulation of the ZEUS detector. ZEUS was the name of a collaboration which ran an experiment at the storage ring HERA in Hamburg, Germany. There, electrons and protons of high energy were brought to collision. Around the interaction point was the ZEUS detector covering almost the whole solid angle with the exception of the openings for the beam pipes. The idea for the plug calorimeter was to make the opening in the proton direction smaller. Thus the acceptance of the detector was enlarged. A calorimeter is an energy measuring device. The additional calorimeter was kind of a plug.

My first step was to implement several versions into the ZEUS detector simulation program MOZART. Then I simulated a test beam, i.e. I used a beam of particles of a single type with uniform energy. Finally, I tested with two kinds of electron proton scattering events. It could be demonstrated that these two types of scattering events can be much more easily separated in an analysis with the aid of a plug calorimeter.

A plug calorimeter was eventually built und installed. Finishing this article I want to mention a publication:

Bamberger et al., The ZEUS Forward Plug Calorimeter with Lead-Scintillator Plates and WLS Fiber Readout, Nucl. Instr. Meth. A450 (2000) 235-252 ( http://arxiv.org/abs/hep-ex/9912045 )

 

Das Plug-Kalorimeter

Ich werde hier versuchen, meine Diplomarbeit zusammenzufassen und in allgemein verständlichen Worten zu erklären. Die Arbeit war eine Detektorsimulation zum ZEUS-Experiment am Speicherring HERA. Dort wurden Elektronen und Protonen hoher Energie zur Kollision gebracht. Um den Wechselwirkungspunkt war der ZEUS-Detektor, der den gesamten Raumwinkel abdeckte bis auf die Öffnungen für die Strahlrohre. Die Idee für das Plug-Kalorimeter war, die Öffnung in Protonenrichtung zu verkleinern und so die Akzeptanz des Detektors zu erweitern. Ein Kalorimeter ist ein Energiemessinstrument. Das englische Wort plug kann hier mit Stopfen übersetzt werden.

Zunächst baute ich Varianten eines solchen Kalorimeters in das ZEUS-Detektor-Simulationsprogramm MOZART ein und testete mit Strahlen einzelner Teilchen vorgewählter Energie. Dann fand der Test mit zwei Sorten von Elektron-Proton-Streuereignissen statt. Ich konnte zeigen, dass diese zwei Sorten mit Hilfe eines Plug-Kalorimeters in der Analyse viel besser getrennt werden könnten.

Ein Plug-Kalorimeter wurde schließlich gebaut und eingesetzt. Zum Abschluss dieses Beitrags möchte ich noch eine Veröffentlichung dazu zitieren:

Bamberger et al., The ZEUS Forward Plug Calorimeter with Lead-Scintillator Plates and WLS Fiber Readout, Nucl. Instr. Meth. A450 (2000) 235-252 ( http://arxiv.org/abs/hep-ex/9912045 )