Das Forschungszentrum CERN - von den höchsten Energien zu den kleinsten Teilchen - Accelerating Science and Innovation
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Accelerating Science and Innovation
Das Forschungszentrum CERN -
von den höchsten Energien
zu den kleinsten Teilchen
R.-D. Heuer, CERN NGW, Winterthur, 18. 3. 2012
CERN Gründung 1954: 12 Europäische Staaten
“Science for Peace”
Heute: 20 Mitgliedsländer
~ 2300 Angestellte
~ 980 Stipendiaten
> 10000 wiss. Nutzer
Budget (2012) ~1000 MCHF
Member States: Austria, Belgium, Bulgaria, the Czech Republic, Denmark,
Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Italy, the Netherlands, Norway,
Poland, Portugal, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland and
the United Kingdom
Candidate for Accession: Romania
Associate Member in the Pre-Stage to Membership: Israel, Serbien
Applicant States: Cyprus, Slovenia, Turkey
Observers to Council: India, Japan, the Russian Federation, the United
States of America, Turkey, the European Commission and UNESCO
2
CERN’ s Auftrag
Grundlagenforschung: Erweiterung der
Grenzen menschlichen Wissens
z.B. Erkenntnisse zur Entwicklung des frühen Universums
Entwicklung neuer Technologien für
Beschleuniger und Detektoren
Informationstechnologie - WWW und GRID
Medizin - Diagnose und Therapie
Ausbildung der Wissenschaftler und
Ingenieure von morgen
Völkerverständigung
Wissenschaft heute: globale Zusammenarbeit
Entwicklung des Universums
Urknall
13.7 Milliarden Jahre
Heute
1028 cm
Urknall
Proton
Atom
Radius of Earth
Earth to Sun
Radius von Galaxien
Universum
LHC
Super-Mikroskop
ALMA
Hubble
Untersuchung der physikalischen Gesetze im frühen
Universum : Symbiose zwischen Teilchenphysik,
Astrophysik und Kosmologie AMS
VLT
Nach etwa 50 Jahren Forschung:
Status Standard-Modell
Materie besteht aus
Quarks und Leptonen
(Fermionen)
Wechselwirkung durch
Kraftteilchen
(Bosonen)
Letzte Einträge: top-quark 1995
tau-neutrino 2000
Standardmodell
Standard Modell der Teilchenphysik
(Glashow, Salam, Weinberg: Nobelpreis 1979)
Mathematischer Formalismus,
beschreibt alle Wechselwirkungen vermittelt durch
schwache, elektromagnetische und starke Kraft
experimentelle Tests mit sehr hoher Präzision
bis zu Abständen ~10 -18 m
bzw. Energien von O(100 GeV)
aber . . .
DER fehlende Baustein des Standardmodells
. . . Formalismus nur gültig für masselose Teilchen !
Was ist der Ursprung der Masse elementarer Teilchen?
Mögliche Lösung:
Masse = Eigenschaft von Teilchen der Energie E sich mit
Geschwindigkeit v/c = (1-m2/E2)1/2 zu bewegen
Einführung eines skalaren Feldes (Higgs-Feld)
Teilchen erhalten Masse durch
Wechselwirkung mit diesem Higgs-Feld Benannt nach
Peter Higgs
Selbstwechselwirkung —> Higgs-Teilchen
DER fehlende Baustein des Standardmodells
. . . Formalismus nur gültig für masselose Teilchen !
Was ist der Ursprung der Masse elementarer Teilchen?
Mögliche Lösung::
Masse = Eigenschaft von Teilchen der Energie E sich mit
Geschwindigkeit v/c = (1-m2/E2)1/2 zu bewegen
Einführung eines skalaren Feldes (Higgs-Feld)
Teilchen erhalten Masse durch
Wechselwirkung mit diesem Higgs-Feld Benannt nach
Selbstwechselwirkung —> Higgs-Teilchen Peter Higgs
Higgs-Teilchen = letzter fehlender Baustein im Standardmodell
aber:
existiert das Higgs-Teilchen überhaupt ??
und darüber hinaus. . . . . . . .Offene Fragen der Teilchenphysik
. . . lässt das Standardmodell
viele Fragen unbeantwortet:
Vereinheitlichung der Kräfte
Symmetrie von Materie und Kräften
Vereinheitlichung von Quantenphysik und
Relativitätstheorie
Anzahl der Raum/Zeit Dimensionen
Was ist Dunkle Materie
Was ist Dunkle Energieinsbesonders. . .
Standard Modell
DAS ENERGIE DICHTE BUDGET
B BARYONS
CDM DARK MATTER
NEUTRINOS
DE DARK ENERGY
TOT B CDM DE
Mit dem Large Hadron Collider stehen wir heute am Anfang
der Erforschung des ’Dunklen Universums’Der Large Hadron Collider
•Größtes wissenschaftliches Instrument
je gebaut, 27km Umfang
•Ca. 10000 MitarbeiterInnen beteiligt an
Entwicklung und Bau
•Proton-Proton Stöße, um Mikrokosmos
und Bedingungen des frühen
Universums zu erforschen ...
...40 Millionen mal pro Sekunde
am Accelerating Science and Innovation(=Wasserstoffkern)
20
Einer der ’leersten’ Orte im Sonnensystem……
Um Teilchen im LHC zirkulieren zu lassen wird ein Vakuum benötigt,
ähnlich dem im interstellaren Raum
Der Druck in den Vakuumröhren des LHC ist niedriger als der Druck
auf der Oberfläche des Mondes
21Einer der kältesten Orte im Universum…
Mit einer Temperatur von -271 C, bzw. 1.9 K über dem absoluten
Nullpunkt, ist der LHC kälter als das All
22Einer der heißesten Orte in der Galaxie…
Die Kollision zweier Protonstrahlen schafft Temperaturen
1000 Millionen mal höher als in der Sonne,
aber in einem viel kleineren Volumen
23Proton-Proton Kollisionen
Energie 7 + 7 TeV
(2010/11: 3.5+3.5 TeV
2808 x 2808 Pakete (“bunches”)
2012: 4 + 4 TeV)
Abstand 7.5m (25ns)
2808 x 2808 Pakete,
Abstand 7.5m (25ns)
1011 Protonen pro Paket
Bis zu 20 Protonenstösse pro
Paketkollision
Hunderte Teilchenspuren zu
vermessen pro Paketkollision
Hohe Anforderungen an Detektor,
Datenspeicherung und
DatenauswertungEine neue Ära in der Grundlagenforschung
Start des Large Hadron Collider (LHC), einem der größten und wirklich
globalen wissenschaftlichen Projektes aller Zeiten, ist der vielleicht
aufregendste Zeitpunkt in der Teilchenphysik
CMS LHCb
Forschung bei höchsten Energien
Proton-Proton Stöße bei Energien bis zu 14 TeV
ALICE
LHC ring:
27 km circumference
ATLASdie größten und komplexesten Detektoren
das “ATLAS” Experiment (in der Bauphase)
7000 t, 150 Millionen Sensoren, 1 petabyte/s
Messung der Teilchenspuren mit höchster Präzision
26Hector Berlioz, “Die Troyaner”, Oper in fünf Akten
Valencia, Palau de les Arts Reina Sofia, 31 Oktober -12 November 2009
ATLAS, 18-12-2009 27Beispiel-Prozess am LHC
q Jet
q’ JetWirkungsquerschnitte verschiedener SM Prozesse
LHC: einzigartige Kombination
der wichtigsten Eigenschaften
von Teilchenphysikexperimenten:
1. Höchste Energie 14 TeV
2. und hohe Kollisionsrate
1033 – 1034/cm2/s
Mehr als zehn Größenordnungen
zwischen totaler Rate und
Erzeugungsrate “neuer Physik”
Große Datenmengen notwendig
Bbbb
ATLAS, 18-12-2009Die LHC Experimente:
je etwa 100 Millionen “Sensoren”
[eine 6MP Digitalkamera...
...macht 40 Millionen Aufnahmen/Sekunde]
ATLAS CMS
5-stöckiges
GebäudeBallon
(30 km)
LHC DATEN
CD Turm mit
Information von 40 Mill Kollisionen/Sek wird
1 Jahr LHC Daten!
(~ 20 km)
online reduziert auf einige hundert “gute”
Ereignisse/Sek
Diese werden auf Platte und Band abgespeichert
ca 100-1,000 MegaBytes/sec ~15 PetaBytes pro Jahr
Mt. Blanc
für alle vier Experimente
(4.8 km)Grid Computing and CERN
285 sites in 48 countries
~250k CPU cores
~100 PB disk
Large number of users
Astronomy & Astrophysics 1M jobs/day
Civil Protection
Computational Chemistry
Comp. Fluid Dynamics
Computer Science/Tools
Condensed Matter Physics
Earth Sciences
Finance
Fusion
High Energy Physics (WLCG)
Humanities
Life Sciences EGEE-III INFSO-RI-222667
Material Sciences
Social SciencesAccelerating Science and Innovation
LHC 2011
ein hervorragendes Jahr für
gesamten Beschleunigerkomplex
Infrastruktur
Experimente
Computing
Glion Colloquium / June 2009
33Exzellente Datennahme 2011
“Verifizierung” des
Standard Modells
bei höchsten Energien!
wir betreten jetzt Neuland. . .LHC ermöglicht Untersuchung fundamentaler
Fragen der modernenPhysik ...
Wie sah der Materiezustand aus kurz nach dem Urknall,
bevor Protonen und Neutronen existieren konnten?
Finden wir das Higgs Teilchen, das den
Elementarteilchen ihre Masse gibt?
Warum haben sich Antimaterie und Materie
nicht vollständig vernichtet?
Woraus bestehen 96% des
Universums ? Was ist ‘Dunkle
Materie’, was ist ‘Dunkle Energie’ ?The Interference Experiment Works!
+
B0 → K p
B0 → K p- B0 → K- p
ACP = -0.088 ± 0.011 ± 0.008
Most precise and first 5σ
Observation of CP violation
in a hadronic machine
Bs → p K
Bs → p K- Bs → p- K
ACP = 0.27 ± 0.008 ± 0.02
First 3σ evidence for
CP asymmetry in Bs decays
17-02-2012 36LHC ermöglicht Untersuchung fundamentaler
Fragen der modernenPhysik ...
Wie sah der Materiezustand aus kurz nach dem Urknall,
bevor Protonen und Neutronen existieren konnten?
Finden wir das Higgs Teilchen, das den
Elementarteilchen ihre Masse gibt?
Warum haben sich Antimaterie und Materie
nicht vollständig vernichtet?
Woraus bestehen 96% des
Universums ? Was ist ‘Dunkle
Materie’, was ist ‘Dunkle Energie’ ?Erstes Licht ins
Dunkle Universum
Young-KeeDunkle Materie
Astronomie & Astrophysik werden in den nächsten Jahrzehnten
mit neuen Teleskopen erforschen wie Dunkle Materie die
sichtbaren Sterne und Galaxien (mit)geformt hat
Nur am Teilchenbeschleuniger kann Dunkle Materie im Labor
erzeugt werden, um sie genau genug zu verstehen
Bestehend aus einer einzigen Teilchenart?
oder
Variantenreich wie die sichtbare Materie?
LHC könnte der perfekte Beschleuniger sein zum Studium der
Dunklen MaterieFermions
SUperSYmmetrie (Bosons)
● vereinigt Materie und Kräfte
jedes Teilchen erhält
Bosons
supersymmetrischen Partner
(Fermions)
entgegengesetzter Spinstatistik
● SUSY-Teilchen
zerfallen in bekannte Teilchen
plus leichtestes SUSY-Teilchen
● Leichtestes SUSY-Teilchen stabil
→ Kandidat für Dunkle Materie
● erlaubt Vereinigung von
starker, schwacher und
elektromagnetischer KraftBeyond the Higgs Boson
Supersymmetrie
Kandidaten für Dunkle Materie
Produktion supersymmetrischer
Teilchen am LHC 41 Picture from Marusa BradacSUSY: new limits on CMSSM
Bisher keine Supersymmetrie! . . . Aber:
Potenzial für Entdeckung von SUSY
-Teilchen hoch, auch bei 7 bzw. 8 TeV
Within the constrained MSSM models we have crossed the border of
excluding gluinos and squarks up to 1TeV and beyond. The air is getting
thin for constrained SUSY. More conclusive results for the winter
conferences 2012.
G. Tonelli, CERN/INFN/UNIPI 42LHC Resultate, zusammen mit spezifischen
Suchexperimenten nach Dunkler Materie:
• etwa 73% des Universums ist mysteriöse “Dunkle
Energie”.
erste Entdeckungen im (‘skalar’).
Gleichverteilt Treibt das
Dunklen Universum
Universum auseinander.
Herausforderung:
erste Hinweise auf die Welt der Dunklen
Energie im LaborDas Higgs-Teilchen ist anders!
All Materieteilchen sind Spin-1/2 Fermionen
Alle Kraftteilchen sind Spin-1 Bosonen
Higgs-Teilchen sind Spin-0 Bosonen: Skalare
Higgs ist weder Materie noch Kraft
Higgs ist anders
Dies wäre der erste fundamentale Skalar je entdeckt
das Higgs Feld sollte überall im Universum sein
-> erste Hinweise auf Dunkle Energie (Skalarfeld)?
Warum sollte das Higgs-Teilchen das einzige
Teilchen seiner Art sein ?
LHC kann nach diesen Skalaren suchen und sie untersuchenWirkungsquerschnitte verschiedener SM Prozesse Erzeugungsrate des Higgs-Bosons abhängig von seiner Masse ebenso seine Zerfallsmöglichkeiten (“Erscheinungsbild” im Detektor)
P-P Kollision mit zwei Photonen
Higgs-Boson
oder
‘Untergrund’
Prozess ohne
Higgs-Boson?Kernbotschaft
LHC und das Standard Modell
Higgs-Boson gefunden: Entdeckung
SM-Higgs-Boson ausgeschlossen: Entdeckung
47ATLAS: Combining all (12 !) channels together, full 2011 dataset
Excluded at 95% CL 110 < mH < 122.5 GeV (except 117.5-118.5) Expected if no signal
129 < mH < 539 GeV
120-555 GeV
Excluded at 99% CL 130Higgs-Boson bei 7 TeV Heutiger Stand SM-Higgs-Boson ausgeschlossen mit 95% cl bis zu einer Masse von 600 GeV, nur der Bereich zw. 122.5 und 127.5 GeV noch erlaubt “interessante Fluktuationen” im Bereich zwischen 124 und 126 GeV
Datennahme 2012
Energie: 8 TeV
Erwartete Datenmenge:
Faktor 3 mehr als 2011
50Higgs-Boson bei 7 und 8 TeV
Heutiger Stand
Ausgezeichnete Performanz von
SM-Higgs-Boson ausgeschlossen
Collider, mit 95% cl
Experimenten, Computing
bis zu einer Masse von 600 GeV,
nur der Bereich zw. 122.5 und 127.5 GeV noch erlaubt
Existenz oder Nicht-Existenz des
“interessanteSM-Higgs-Boson
Fluktuationen” bis zuim Bereich
einer Masse von
etwa 600 GeV bis Ende 2012
zwischen 124 und 126 GeVLHC Ergebnisse: Studium des Higgs-Mechanismus im Detail Verständnis des Higgs-Teilchens Dies wäre die erste Untersuchung eines skalaren Feldes Dies könnte der allererste Schritt sein zum Verständnis der Dunklen Energie
Die letzten Jahrzehnte: geprägt durch Präzisionsuntersuchungen von 5 % unseres Universums Entdeckung des Standardmodells Der LHC liefert Daten Wir stehen an der Schwelle zu Untersuchungen von 95 % unseres Universums
Die letzten Jahrzehnte: geprägt durch Präzisionsuntersuchungen von 5 % unseres Universums Entdeckung des Standardmodells Der LHC liefert Daten Wir stehen an der Schwelle zu Untersuchungen von 95 % unseres Universums Brilliante Aussichten im Dunklen Universum
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