CERN Masterclasses/Lehrerfortbildung - Thorsten Kuhl, DESY
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Thorsten Kuhl, DESY CERN Masterclasses/Lehrerfortbildung DESY 24. Februar 2020
Einführung in CERN, LHC-Beschleuniger, ATLAS-Experiment und den Versuch 2
Was wollen wir heute verstehen?
Was ist hier passiert?
Warum ist es passiert?
Wie und wo produzieren wir
die Teilchenstrahlen→
der Beschleuninger?
Wie weisen wir nach was
passiert ist → das Atlas
Experiment?
3
Wie deutet man solch ein Ereignisbild?
CERN Gelände
4
EM-Wechselwirkung im ATLAS-Detektor 5
Das Forschungszentrum
CERN und der LHC
6
Das CERN
Conseil
Européen pour la
Recherche
Nucléair
Standort Genf (Schweiz und Frankreich)
Mitgliedstaaten 20 Europäische Nationen
Budget pro Jahr ~ 700 Millionen Euro
(davon 20 % aus Deutschland)
Mitarbeiter vor Ort ~ 3 400, weltgrößtes
Forschungszentrum
Beteiligte WissenschaftlerInnen ~8 000 aus 85 Nationen
7
Das Forschungszentrum CERN in Genf
CERN Gelände
8
Der Beschleuniger LHC Ringtunnel mit Umfang von 27 km in 50–175 m Tiefe in Genf Warum ist der LHC rund und so groß? 9
Streuversuche: Unsichtbares sichtbar machen E. Rutherford: Struktur der Atome durch Streuversuche Streuwinkelverteilung hängt direkt mit der Materieverteilung im Atom zusammen indirekte Messung der Substruktur: Atom besteht aus fast leerer Elektronenhülle und Atomkern 10
Teilchenbeschleuniger Teilchenquelle: Erzeugung von Elementarteilchen z.B. Wasserstoffflasche für Protonen Beschleuniger: beschleunigt geladene Teilchen mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern bei hohen Energien/Geschwindigkeiten: Hochfrequenzfelder 11
Vom Linear- zum Kreisbeschleuniger höhere Energien durch wiederholtes Durchlaufen derselben Beschleunigungsstrecke • Ringbeschleuniger Krümmung der Teilchenstrahlen durch geeignete Ablenkmagnete • Dipolmagnete Magnetfeldstärke muss synchron mit der Energie der Teilchenstrahlen ansteigen • Synchrotron 12
Vom Beschleuniger zum Collider Ein Beschleuniger lenkt einen Strahl vom beschleunigten Teilchen auf ein festes Ziel Collider: (zwei kombinierte Beschleuniger): zwei Teilchenstrahlen werden beschleunigt und zur Kollision gebracht: • größere Energien werden erreicht 13
Beschleuniger-Systeme am CERN 2800 Strahlpakete, jedes mit 1011 Protonen, 25ns zwischen den Strahlpaketen Beschleunigungsabfolge: 1. Protonenquelle (Flasche) 2. LINAC2: 50 MeV 3. PSB: 1,4 GeV 4. PS: 28 GeV 5. SPS: 400 GeV Es beginnt mit 6. LHC: 6,5 TeV einer Flasche … 14
Beschleunigungstrecken Hochfrequenz-System zur Beschleunigung der Strahlen: • Mikrowellen in supraleitenden Kavitäten (16 Mio Volt) • 8 Kavitäten im LHC • Energiezufuhr: 5 MeV/m • Magnete dienen nur der Strahlführung 15
Die LHC Magnete Supraleitende Magnete: L 15 m, M 30 t, B 8,33 T Temperatur: 1,9 K Strom: 11700 A Kühlung: superfluides Helium 1232 Ablenkmagnete (Strahlführung) 7600 weitere Magnete (kleinere) 16
LHC: Technischer Überblick
Typ Proton-Proton/
Pb-Pb Collider
Umfang 26,7 km
Energie 13 TeV pro Strahl
Luminosität 1034 cm-2s-1
Strombedarf 120 MWatt
Planung 1984 – 1994
Bau 1994 – 2008
Laufzeit Ca. 20 Jahre
Kosten 3 Milliarden EURO
Experimente 4 (6)
17Das CERN control center Kontrollraum aller Beschleunigeranlagen 18
Die 4 Experimente am LHC
LHC-b ALTAS
ALICE
CMS
19Das Experiment 20
Der ATLAS-Detektor
CERN Gelände
21Wie deutet man solch ein Ereignisbild?
CERN Gelände
22Zur Erinnerung: Die Grundkräfte Elektromagnetische Kraft • wirkt zwischen allen geladenen Teilchen • verantwortlich z.B. für den Zusammenhalt von Atomen • Ionisation, Szintillationslicht, elektromagnetischer Schauer Starke Kraft • wirkt zwischen den Quarks • verantwortlich für Aufbau von Elementarteilchen und Zusammenhalt der Kerne • Hadronische Schauer Schwache Kraft • verantwortlich für Umwandlungsprozesse von Elementarteilchen (z.B. Teilchenzerfälle) • Neutrino-Nachweis Gravitationskraft • 1036 mal schwächer als die starke Kraft • spielt in der Teilchenphysik keine Rolle 23
Kraftvermittler: Austauschteilchen Austauschteilchen sind die Quanten der Kraftfelder Wesentlich für das Verständnis der WW Materie 24
Vorbemerkung: Nützliche Einheiten für Teilchen Größe: 1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m (1 µm = 1.000.000.000 fm) Energie 1 eV = 1 Elektronvolt = 1,6 * 10-19 J (eine Ladung auf einem Meter bei 1 V Spannung) 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen 25
Experimente mit Teilchenstrahlen Teilchenstrahlen höchster Energie sind notwendig, denn mit steigender Energie E (bzw. Impuls p) der Projektile steigt die Fähigkeit, kleine Strukturen x zu erkennen x p = ħ (Heisenberg) die Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen E = mc2 (Einstein) Streuexperimente • Kollision von Teilchenstrahlen mit Materie • Kollision von zwei Teilchenstrahlen 26
Ortsmessung: z.B. Geiger-Müller-Zähler • Elektronischer Detektor • Teilchen ionisieren das Gas im Detektor • Ionisationsladungen driften zum Anodendraht • elektrisches Signal durch Gasverstärkung • Elektronische Auslese 27
Ortsbestimmung: Silizium • Funktionsprinzip einer in Sperrrichtung geschaltete Diode • Ionisierende Teilchen erzeugen Elektron-Loch-Paare in Halbleiter • Signalerzeugung in den anliegenden Elektroden • Auflösung definiert über die Pixel/Streifenbreite (~20 m) • In der Nähe des Wechselwirkungspunktes angebracht • Standard-Technologie bei modernen Experimenten der Teilchenphysik 28
Energiemessung: Prinzip
• Hochenergetische Teilchen wechselwirken mit den Kernen der Materie,
die sie durchdringen
• Ausbildung eines Schauers
• Anzahl der entstehenden Teilchen im Schauer ist proportional zur Energie
• Art des Schauers abhängig von den Eigenschaften des Teilchens
• Messung von Szintillationslicht in den Nachweiszonen zwischen dem Absorber
Nachweiszonen
Absorber
ursprüngliches
Teilchen
Teilchen am Ende
absorbiert
29Elektromagnetische Kalorimeter • Prinzip: Bremsstrahlung (Elektron) und Paarbildung (Photon) • Proportional zu Z2 des Absorbers: • Geeignete Materialien: Blei, Uran, Wismuth... • Elektronen und Photonen erzeugen die selben Schauer • Die Schauer sind ununterscheidbar ohne weitere Information • Kurze, kompakte Schauer 30
Hadronische Kalorimeter • Hadronen (z.B. Protonen, Pionen, Neutronen) verursachen in Materie Schauer aus weiteren Hadronen • Hadronische Wechselwirkung mit dem Kern • Proportional zu A2/3 des Materials • Ein Teil zerfällt in Photonen • Begleitender elektromagnetischer Schauer • Kleines Z bei großem A: Fe • tiefe, ausgedehnte Schauer 31
Teilchennachweis im Detektor
Elektromagn. Hadronisches
Spurdetektor Kalorimeter Kalorimeter Myonkammern
CERN Gelände
innen außen
32Schematischer Detektoraufbau
Zwiebelschalenartiger Aufbau aus verschiedenen Komponenten
CERN Gelände
33Der ATLAS-Detektor
CERN Gelände
34ATLAS: weltweite Kollaboration
38 Länder
185 Institute
3500 WissenschaftlerInnen
(Status 2015)
35Das ATLAS- Areal 36
Die ATLAS-Kaverne
Länge = 55 m
Breite = 32 m
Höhe = 35 m
Tiefe = 100 m
37Datennahme bei ATLAS Der ATLAS-Kontrollraum: • Steuerung der Datennahme • Bedienen der Detektoren • Überwachung des Experiments • 24-Stunden Schichtbetrieb • Immer 6 Leute im Kontrollraum • ca. 30 weitere Experten immer in Rufbereitschaft 38
Teilchenkollisionen bei LHC
7.5 m
25 ns
Selektion von 1 aus 40000
Ereignissen
39Proton-Proton Kollision im Detektor Hohe Strahlintensität führt zur Überlagerung von vielen Ereignissen in einer Strahlkreuzung (bis zu 35) 40
Das CERN-Rechenzentrum Weltweit eines der größten Rechenzentren; Erfinder des WWW 41
Weltweites Computing 140 Institute 35 Länder 9000 Benutzer Dynamisches Datenmanagement und Jobverarbeitung in einem weltweiten Computernetzwerk 42
Die Datennahme 43
Datennahme
• sehr erfolgreiche Steigerung der
Datennahme seit 2010
• Strahlintensitäten von höchster
Qualität
• Schwerpunktsenergie wurde
schrittweise von 7 TeV auf 13 TeV
erhöht
• stetige Vergrößerung der Datenmenge
sowie der Datennahme
• wesentliche Vorraussetzung für das
Entdeckungspotential
• Daten von höchster Qualität
• Luminosität:
• “Leuchtstärke” des
Beschleunigers
• Maß für die Menge der Daten
44Das Standardmodell
Materie (Fermionen) Bosonen
Hauptaufgaben des LHC:
• Vermessung des Standard
Modells
• Suche nach Abweichungen
vom Standard Modell
45Vermessung des Z-Bosons
Bestimmung des Z-Boson Wirkungsquerschnitts
Bestätigung der theoretischen Vorhersage
Präzise Messung ist kompliziert: Noch kein
Ergebnis des vollen Datensatzes 2015-2018
2015
1994- 2010-
2005 2012
1983
46Vermessung des Standardmodells 47
Ausblick
Daten von LHC von höchster Qualität, alle Erwartungen übertroffen
Wesentliche Resultate:
• Messung des SM Higgs Bosons bei 125 GeV
• Standardmodell exzellent bestätigt in vielen Aspekten
• Bis jetzt noch keine Anzeichen für Physik jenseits des Standard Modells
Ziele/offene Fragen in der Zukunft:
• Datennahme bei 13 TeV 2015: Lernjahr
• 2016: großer Datensatz, Auswertung läuft
• Vermessung der Eigenschaften des Higgs-Bosons
• Suche nach neuer Physik jenseits des Erwarteten,
zum Beispiel Kandidat für dunkle Materie ?
48Der Versuch 49
Unser Plan für heute 50
Z-Boson: Signal und Untergrund 51
Higgs-Zerfälle 52
Suche nach neuem Z` 53
Sie können auch lesen
