Grundlagenforschung und Nutzen für unsere Gesellschaft - Teilchenphysik am CERN als Beispiel G. Dissertori, ETH Zürich

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Grundlagenforschung und Nutzen für unsere Gesellschaft - Teilchenphysik am CERN als Beispiel G. Dissertori, ETH Zürich
Grundlagenforschung und
       Nutzen für unsere Gesellschaft

                Teilchenphysik am CERN
                       als Beispiel

G. Dissertori
ETH Zürich
                                 G. Dissertori, ETH Zürich
Grundlagenforschung und Nutzen für unsere Gesellschaft - Teilchenphysik am CERN als Beispiel G. Dissertori, ETH Zürich
Erforschung der Naturgesetze

                   Big Bang

                                Radius Erde

                                     Abstand Erde-Sonne

                                                   Radius von
                                                    Galaxien
                                                            Universum

G. Dissertori
ETH Zürich                                                              2
Grundlagenforschung und Nutzen für unsere Gesellschaft - Teilchenphysik am CERN als Beispiel G. Dissertori, ETH Zürich
Erforschung der Naturgesetze

                   Big Bang

                                Radius Erde

                                     Abstand Erde-Sonne

                                                    Radius von
                                                     Galaxien
                                                             Universum

                                                 Hubble
                                                                    VLT

                                                                 WMAP
                                       MAGIC
                                                                 Planck
                                                                 Herschel

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                  2
Grundlagenforschung und Nutzen für unsere Gesellschaft - Teilchenphysik am CERN als Beispiel G. Dissertori, ETH Zürich
Erforschung der Naturgesetze

                     Big Bang

                                Radius Erde

                                     Abstand Erde-Sonne

                                                    Radius von
                                                     Galaxien
                                                             Universum

                                                 Hubble
                                                                    VLT

                                                                 WMAP
                                       MAGIC
          Super-Mikroskop                                        Planck
                                                                 Herschel

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                  2
Grundlagenforschung und Nutzen für unsere Gesellschaft - Teilchenphysik am CERN als Beispiel G. Dissertori, ETH Zürich
Erforschung der Naturgesetze

                     Big Bang

                                Radius Erde

                                     Abstand Erde-Sonne

                                                    Radius von
                                                     Galaxien
                                                             Universum

                                                 Hubble
                                                                    VLT

                                                                 WMAP
                                       MAGIC
          Super-Mikroskop                                        Planck
                                                                 Herschel

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                  2
Grundlagenforschung und Nutzen für unsere Gesellschaft - Teilchenphysik am CERN als Beispiel G. Dissertori, ETH Zürich
Entwicklung des Universums

     Urknall

                      13.7 Milliarden Jahre
                                              heute
                            1028 cm
G. Dissertori
ETH Zürich
Grundlagenforschung und Nutzen für unsere Gesellschaft - Teilchenphysik am CERN als Beispiel G. Dissertori, ETH Zürich
Grosse offene Fragen

G. Dissertori
ETH Zürich                             4
Grundlagenforschung und Nutzen für unsere Gesellschaft - Teilchenphysik am CERN als Beispiel G. Dissertori, ETH Zürich
Grosse offene Fragen

       Werden wir den Zustand der Materie
       wenige Augenblicke nach dem
       Urknall verstehen?

G. Dissertori
ETH Zürich                                  4
Grundlagenforschung und Nutzen für unsere Gesellschaft - Teilchenphysik am CERN als Beispiel G. Dissertori, ETH Zürich
Grosse offene Fragen

       Werden wir den Zustand der Materie
       wenige Augenblicke nach dem
       Urknall verstehen?

       Ist das neu entdeckte Teilchen
       tatsächlich das Higgs Boson?
       Werden wir weitere neue Teilchen
       finden?

G. Dissertori
ETH Zürich                                  4
Grundlagenforschung und Nutzen für unsere Gesellschaft - Teilchenphysik am CERN als Beispiel G. Dissertori, ETH Zürich
Grosse offene Fragen

       Werden wir den Zustand der Materie
       wenige Augenblicke nach dem
       Urknall verstehen?

       Ist das neu entdeckte Teilchen
       tatsächlich das Higgs Boson?
       Werden wir weitere neue Teilchen
       finden?

       Was ist der Ursprung der
       Materie-Antimaterie Asymmetrie
       im Universum?

G. Dissertori
ETH Zürich                                  4
Grosse offene Fragen

       Werden wir den Zustand der Materie
       wenige Augenblicke nach dem
       Urknall verstehen?

       Ist das neu entdeckte Teilchen
       tatsächlich das Higgs Boson?
       Werden wir weitere neue Teilchen
       finden?

       Was ist der Ursprung der
       Materie-Antimaterie Asymmetrie
       im Universum?

       Werden wir die Teilchen der
       Dunklen Materie entdecken?

G. Dissertori
ETH Zürich                                  4
CERN’s Mission

                                Au
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                          Forschung

G. Dissertori
ETH Zürich
                                                courtesy : F. Pauss
CERN’s Mission

                                                         Au
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                                                  Forschung

      “Grenzverschiebung” unseres Wissens
      z.B. fundamentale Bausteine der Materie, Zustand des Universums
      in den ersten Augenblicken nach dem Big Bang

G. Dissertori
ETH Zürich
                                                                        courtesy : F. Pauss
CERN’s Mission

                                                          Au
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                                           no

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                                                  Forschung

      “Grenzverschiebung” unseres Wissens
      z.B. fundamentale Bausteine der Materie, Zustand des Universums
      in den ersten Augenblicken nach dem Big Bang

      Entwicklung neuer Technologien
      Informationstechnologie - World Wide Web und GRID
      Medizin - Diagnose und Therapie

G. Dissertori
ETH Zürich
                                                                        courtesy : F. Pauss
CERN’s Mission

                                                          Au
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                                                  Forschung

      “Grenzverschiebung” unseres Wissens
      z.B. fundamentale Bausteine der Materie, Zustand des Universums
      in den ersten Augenblicken nach dem Big Bang

      Entwicklung neuer Technologien
      Informationstechnologie - World Wide Web und GRID
      Medizin - Diagnose und Therapie

      Ausbildung der Wissenschaftler und
      Ingenieure von morgen

G. Dissertori
ETH Zürich
                                                                        courtesy : F. Pauss
CERN’s Mission

                                                          Au
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                                             va

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                                                  Forschung

      “Grenzverschiebung” unseres Wissens
      z.B. fundamentale Bausteine der Materie, Zustand des Universums
      in den ersten Augenblicken nach dem Big Bang

      Entwicklung neuer Technologien
      Informationstechnologie - World Wide Web und GRID
      Medizin - Diagnose und Therapie

      Ausbildung der Wissenschaftler und
      Ingenieure von morgen

      Zusammenbringen von Menschen aus
      verschiedenen Ländern und Kulturen
G. Dissertori
ETH Zürich
                                                                        courtesy : F. Pauss
Eine neue Ära in der Grundlagenforschung
Large Hadron Collider (LHC), eines der grössten, globalen, wissenschaftlichen
          Projekte aller Zeiten, ein Meilenstein für die Teilchenphysik

                              LHC Ring:
                            27 km Umfang

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                 6
Eine neue Ära in der Grundlagenforschung
Large Hadron Collider (LHC), eines der grössten, globalen, wissenschaftlichen
          Projekte aller Zeiten, ein Meilenstein für die Teilchenphysik

                              LHC Ring:
                            27 km Umfang

                                                                     ATLAS
G. Dissertori
ETH Zürich                                                                   6
Eine neue Ära in der Grundlagenforschung
Large Hadron Collider (LHC), eines der grössten, globalen, wissenschaftlichen
          Projekte aller Zeiten, ein Meilenstein für die Teilchenphysik

                   CMS

                              LHC Ring:
                            27 km Umfang

                                                                     ATLAS
G. Dissertori
ETH Zürich                                                                   6
Eine neue Ära in der Grundlagenforschung
Large Hadron Collider (LHC), eines der grössten, globalen, wissenschaftlichen
          Projekte aller Zeiten, ein Meilenstein für die Teilchenphysik

                   CMS                                                 LHCb

                              LHC Ring:
                            27 km Umfang

                                                                     ATLAS
G. Dissertori
ETH Zürich                                                                    6
Eine neue Ära in der Grundlagenforschung
Large Hadron Collider (LHC), eines der grössten, globalen, wissenschaftlichen
          Projekte aller Zeiten, ein Meilenstein für die Teilchenphysik

                        CMS                                            LHCb

                ALICE
                               LHC Ring:
                              27 km Umfang

                                                                     ATLAS
G. Dissertori
ETH Zürich                                                                    6
G. Dissertori
ETH Zürich      Siehe z.B. Vortrag Lebrun, 22.11.12
Kollisionen im LHC

                          Protonen

   ~1011 Protonen pro Paket
         ~ 3000 Pakete
Kollisionen: 40·106 pro Sekunde

 G. Dissertori
 ETH Zürich
Kollisionen im LHC

                          Protonen

   ~1011 Protonen pro Paket
         ~ 3000 Pakete
Kollisionen: 40·106 pro Sekunde

 G. Dissertori
 ETH Zürich
Riesige “Digitale Kameras”

                Start : Nov 2006

G. Dissertori
ETH Zürich
                                                   9
Riesige “Digitale Kameras”

                Start : Nov 2006

                                          Schwerstes Element:
                                           (~ 2000 t): 28. Feb. 2007

                                     …. Gewicht von ca. 5 Jumbo Jets ,
                                          oder 3.5 Airbus380….

G. Dissertori
ETH Zürich
                                                                         9
Bilder von Kollisionen
                                CMS                                            ATLAS

      LHCb

                Bos à   µ+µ−                                   ALICE: Pb-Pb

G. Dissertori
ETH Zürich
                                Siehe z.B. Vortrag Mansoulie’ zum Higgs Boson, 13.12.12
Riesige Datenmengen

                      ~ 100 Millionen Auslesekanäle

                      Ein “digitales Foto” alle 25-50 Nanosekunden,
                      d.h. 40 Millionen Fotos pro Sekunde !

                      Alle Experimente zusammen: ~3 Gb/sec

G. Dissertori
ETH Zürich
Riesige Datenmengen

                                    ~ 100 Millionen Auslesekanäle

                                    Ein “digitales Foto” alle 25-50 Nanosekunden,
                                    d.h. 40 Millionen Fotos pro Sekunde !

                                    Alle Experimente zusammen: ~3 Gb/sec

Daten-Volumen pro Jahr: ~22 Petabytes

  G. Dissertori
  ETH Zürich
Riesige Datenmengen

                                    ~ 100 Millionen Auslesekanäle

                                    Ein “digitales Foto” alle 25-50 Nanosekunden,
                                    d.h. 40 Millionen Fotos pro Sekunde !

                                    Alle Experimente zusammen: ~3 Gb/sec

Daten-Volumen pro Jahr: ~22 Petabytes                    GRID-Computing !
                                                         Weltweite Kollaboration

                                                 ~ 140 computing centres
  G. Dissertori                                  In ~ 40 countries
  ETH Zürich
Was bringt uns das?

G. Dissertori
ETH Zürich
Beispiel World Wide Web

                                                                                                      www.cern.ch

                           interes'ng,	
  but	
  vague…

                vor	
  ca.	
  20	
  Jahren	
  entwickelt	
  :	
  
                undenkbar,	
  dass	
  dies	
  die	
  moderne	
  Informa	
  revolu
CERN Technologien
                Drei zentrale Technologie-Kompetenzen:

                                                         Parrinello, CERN

G. Dissertori
ETH Zürich                                                           14
CERN Technologien
                 Drei zentrale Technologie-Kompetenzen:

  Beschleunigung
von Teilchenstrahlen

                                                          Parrinello, CERN

 G. Dissertori
 ETH Zürich                                                           14
CERN Technologien
                 Drei zentrale Technologie-Kompetenzen:
                                                           Detektion
  Beschleunigung                                          von Teilchen
von Teilchenstrahlen

                                                                      CMS

                                                                 Parrinello, CERN

 G. Dissertori
 ETH Zürich                                                                  14
CERN Technologien
                 Drei zentrale Technologie-Kompetenzen:
                                                           Detektion
  Beschleunigung                                          von Teilchen
von Teilchenstrahlen

                                                                      CMS

                             Computing
                    Hoch-Leistung und Vernetzung
                                                                 Parrinello, CERN

 G. Dissertori
 ETH Zürich                                                                  14
Technologie-Transfer

    Vakuum

    Kältetechnik

    Supraleitung

    Teilchenstrahlen

    Detektoren

    IT/Grid

                                          Parrinello, CERN

G. Dissertori
ETH Zürich                                             15
Technologie-Transfer

    Vakuum                            Hadron-Therapie

                                           Medizinsche
    Kältetechnik                           Bildgebung
    Supraleitung                          “E-Gesundheit”
    Teilchenstrahlen                Energiegewinnung
    Detektoren                        Energie-Effizienz
    IT/Grid                        Digitale Bibliotheken

                                                   Parrinello, CERN

G. Dissertori
ETH Zürich                                                      15
Medizinische Anwendungen
                Teilchenstrahlen für Tumorbekämpfung

                                                       Parrinello, CERN

G. Dissertori
ETH Zürich                                                         16
Medizinische Anwendungen
                Teilchenstrahlen für Tumorbekämpfung

                Teilchen-Detektor Technologien für die medizinische Bildgebung

                                                                             Parrinello, CERN

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                               16
Medizinische Anwendungen
                Teilchenstrahlen für Tumorbekämpfung

                Teilchen-Detektor Technologien für die medizinische Bildgebung

                Grid Technologie für medizinische Datenverwaltung und Analyse

                                                                             Parrinello, CERN

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                               16
Hadron-Therapie

                                                                   Tumor
                                                               Zielgebiet

                                                                   Parrinello, CERN

G. Dissertori
                                                                                      17
ETH Zürich
                  Siehe Vortrag Möslacher zu MedAustron, 6.12.12
Hadron-Therapie

                                                                                Tumor
                                                                            Zielgebiet
           Protonen

Kohlenstoff-Ionen     Strahl geladener Hadronen
                      verliert Energie in Materie
                                                                                Parrinello, CERN

G. Dissertori
                                                                                                   17
ETH Zürich
                               Siehe Vortrag Möslacher zu MedAustron, 6.12.12
Hadron-Therapie

                                                                                Tumor
                                                                            Zielgebiet
           Protonen

Kohlenstoff-Ionen     Strahl geladener Hadronen
                      verliert Energie in Materie
                                                                                Parrinello, CERN

                                                    Gamma-             Protonen
                                                    Strahlen
                                                     Photons            Protons
                                                                      Kohlenstoff

                                                                                        GSI
G. Dissertori
                                                                                                   17
ETH Zürich
                               Siehe Vortrag Möslacher zu MedAustron, 6.12.12
Hadron-Therapie

                                                                                Tumor
                                                                            Zielgebiet
           Protonen

Kohlenstoff-Ionen     Strahl geladener Hadronen
                      verliert Energie in Materie
                                                                                Parrinello, CERN

  Hadron-Strahlen öffnen neue                       Gamma-             Protonen
                                                    Strahlen
                                                     Photons            Protons
                                                                      Kohlenstoff
  Möglichkeiten zur Behandlung von
  tiefliegenden Tumoren.

  Hadron-Strahlen sind effektiver in der
  Zerstörung von Tumorzellen, bei
  gleichzeitiger Schonung des
  umliegenden Gewebes.

  Erste Idee: Wilson, 1946                                                              GSI
G. Dissertori
                                                                                                   17
ETH Zürich
                               Siehe Vortrag Möslacher zu MedAustron, 6.12.12
MedAustron
                Krebsbehandlung (Hadron-Strahlen) und
                Forschungszentrum
                1200 Patienten / Jahr (24000 Fraktionen)
                Klinische und nicht-klinische Forschung
                Forschungs-Schwerpunkte
                  Bio-Medizin, Medizin-Physik, Kern-und Teilchenphysik, Detektortechnologien

                Technische Umsetzung
                  Design, Beschaffung und Errichtung mit Hilfe und Mitarbeit von CERN Experten
                  (alle Bereiche der Beschleunigertechnik)
                  Aufbau eines MedAustron Expertenteams am CERN (ca. 30 Personen) und
                  Integration in die technischen Gruppen bei CERN zur Ausbildung (Transfer von
                  Know-How)
                  Gemeinsamer Aufbau und Inbetriebnahme in Wr. Neustadt
                  Betrieb durch das MedAustron Expertenteam

                Inbetriebnahme 2015

G. Dissertori                                                                                    Benedikt, CERN
ETH Zürich                  Siehe Vortrag Möslacher zu MedAustron, 6.12.12                                        18
Positron-Emissions-Tomographie
            Entwickelt in Zusammenarbeit des CERN mit der Universitätsklinik Genf
            Weiterhin aktive Forschung (Kristalle, Photo-Detektoren, Elektronik)

                                                            Glukose,
                                                         markiert mit C-11
                                                          Hergestellt mittels
                                                       spezieller Beschleuniger

      Szintillations - Kristalle

                             Abbildung 7.73: Prinzip der PET Messung.

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                          19
Positron-Emissions-Tomographie
            Entwickelt in Zusammenarbeit des CERN mit der Universitätsklinik Genf
            Weiterhin aktive Forschung (Kristalle, Photo-Detektoren, Elektronik)

                                                                                  Anti-Materie
                                                                                  E=mc2

                                                            Glukose,
                                                         markiert mit C-11
                                                          Hergestellt mittels
                                                       spezieller Beschleuniger

      Szintillations - Kristalle

                             Abbildung 7.73: Prinzip der PET Messung.

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                                       19
Bild - Kombination: PET + CT

        PET Scanner

                Kombination anatomischer und funktionaler/metabolischer Information
G. Dissertori                                                                         Parrinello, CERN
ETH Zürich
Bild - Kombination: PET + CT

        PET Scanner                                     Computer-Tomograph
                                                        (oder MRI-Scanner)

                Kombination anatomischer und funktionaler/metabolischer Information
G. Dissertori                                                                         Parrinello, CERN
ETH Zürich
Bild - Kombination: PET + CT

        PET Scanner                                     Computer-Tomograph                    SMART Scanner
                                                        (oder MRI-Scanner)

                                                                                                PET + CT
                                                                                      from University of Pittsburgh & Siemens
                Kombination anatomischer und funktionaler/metabolischer Information
G. Dissertori                                                                                                           Parrinello, CERN
ETH Zürich
Grid Anwendung: MammoGrid
Brustkrebs
                1 von 8 Frauen wird an Brustkrebs erkranken
                Systematische Vorsorgeuntersuchungen (Mammographien)
                Analysen der Bilder im Spital: kleine Referenz-Datenbasis,
                Diagnose beruht auf ärztlicher Erfahrung

                                                                             Parrinello, CERN
G. Dissertori
ETH Zürich
Grid Anwendung: MammoGrid
Brustkrebs
                1 von 8 Frauen wird an Brustkrebs erkranken
                Systematische Vorsorgeuntersuchungen (Mammographien)
                Analysen der Bilder im Spital: kleine Referenz-Datenbasis,
                Diagnose beruht auf ärztlicher Erfahrung

MammoGrid Projekt
Grid-basierte Implementierung einer verteilten
Mammogram Datenbasis in Europa

                Jeder Arzt erhält Zugang zu tausenden von
                Bildern+Diagnose
                Ermöglicht Diagnose auf Distanz
                Software zur Gewinnung von Gewebe-Information
                für klinische Studien
                                                                   Developed by Italian University
                                                                                                     Parrinello, CERN
G. Dissertori
ETH Zürich
Weiteres Beispiel : Arktis

                Arktis Radiation Detectors Ltd
                entwickelt Edelgas-Detektoren, um
                radioaktives Material an Seehäfen und
                Grenzübergängen zu entdecken

                Die Technologie hat ihre Ursprünge in der
                Teilchenphysik (ETH, CERN)

                Arktis ist eine ETH Spin-off Firma,
                gegründet 2007, von ETH Doktoranden

G. Dissertori
ETH Zürich                                                  22
“Hirne” und Know How
                Beispiele:

                David Townsend
                  ehemaliger Teilchenphysiker
                  jetzt führend in der Entwicklung von kombinierten PET/CT Scannern
                  Times Magazine : Invention of the year 2000

                Eros Pedroni
                  studierte Teilchenphysik
                  jetzt weltweit anerkannter Experte und zentrale Figur des Hadron
                  Therapie Programmes am PSI

                                                                                       already
                                                                                      doctors,

                                                                                             r

                                                                                      October

                                                                                        ination

                                                                                         body.

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                                        23
“Hirne” und Know How
                Beispiele:

                David Townsend
                  ehemaliger Teilchenphysiker
                  jetzt führend in der Entwicklung von kombinierten PET/CT Scannern
                  Times Magazine : Invention of the year 2000

                Eros Pedroni
                  studierte Teilchenphysik
                  jetzt weltweit anerkannter Experte und zentrale Figur des Hadron
                  Therapie Programmes am PSI

                                                                                       already
                                                                                      doctors,
                Österreichisches Doktorandenprogramm
                am CERN                                                                      r

                                                                                      October

                                                                                        ination

                                                                                         body.

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                                        23
“Hirne” und Know How
                Beispiele:

                David Townsend
                  ehemaliger Teilchenphysiker
                  jetzt führend in der Entwicklung von kombinierten PET/CT Scannern
                  Times Magazine : Invention of the year 2000

                Eros Pedroni
                  studierte Teilchenphysik
                  jetzt weltweit anerkannter Experte und zentrale Figur des Hadron
                  Therapie Programmes am PSI

                                                                                       already
                                                                                      doctors,
                Österreichisches Doktorandenprogramm
                am CERN                                                                      r

                Die top-ausgebildeten (lösungsorientiert,                             October
                innovativ, internationales kompetitives Umfeld)                         ination

                Studierenden von heute sind die
                Problemlöser von morgen                                                  body.

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                                        23
Zusammenfassung

           Teilchenphysik :
                auf der Suche nach den grundlegenden Gesetzen von Materie, Raum und Zeit: Vorstösse in neue
                Grenzbereiche in Beschleuniger- und Detektortechnologie

           viele dieser Technologien zusammen mit dem nötigen Know-How
           haben zu neuen Entwicklungen geführt, speziell bei medizinischen
           Anwendungen
           Dies war nur ein kleiner Einblick.....

G. Dissertori
ETH Zürich                                                                                                    24
Zusammenfassung

           Teilchenphysik :
                auf der Suche nach den grundlegenden Gesetzen von Materie, Raum und Zeit: Vorstösse in neue
                Grenzbereiche in Beschleuniger- und Detektortechnologie

           viele dieser Technologien zusammen mit dem nötigen Know-How
           haben zu neuen Entwicklungen geführt, speziell bei medizinischen
           Anwendungen
           Dies war nur ein kleiner Einblick.....
           Gerade in Krisenzeiten wie dieser (Energie, Ökologie, Ökonomie)
           brauchen wir Investitionen in
                (Aus)Bildung, auf allen Ebenen
                Grundlagenforschung
                dies ist das Fundament für die Technologie-Entwicklungen und
                die Problemlösungen (von morgen und übermorgen)
G. Dissertori
ETH Zürich                                                                                                    24
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