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
G. Dissertori, ETH Zürich
Erforschung der Naturgesetze
Big Bang
Radius Erde
Abstand Erde-Sonne
Radius von
Galaxien
Universum
G. Dissertori
ETH Zürich 2
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
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
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
Entwicklung des Universums
Urknall
13.7 Milliarden Jahre
heute
1028 cm
G. Dissertori
ETH Zürich
Grosse offene Fragen G. Dissertori ETH Zürich 4
Grosse offene Fragen
Werden wir den Zustand der Materie
wenige Augenblicke nach dem
Urknall verstehen?
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?
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?
G. Dissertori
ETH Zürich 4Grosse 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 4CERN’s Mission
Au
n
tio
sb
va
ild
no
un
In
g
Forschung
G. Dissertori
ETH Zürich
courtesy : F. PaussCERN’s Mission
Au
n
tio
sb
va
ild
no
un
In
g
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. PaussCERN’s Mission
Au
n
tio
sb
va
ild
no
un
In
g
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. PaussCERN’s Mission
Au
n
tio
sb
va
ild
no
un
In
g
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. PaussCERN’s Mission
Au
n
tio
sb
va
ild
no
un
In
g
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. PaussEine 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 6Eine 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 6Eine 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 6Eine 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 6Eine 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 6G. 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 ZürichKollisionen im LHC
Protonen
~1011 Protonen pro Paket
~ 3000 Pakete
Kollisionen: 40·106 pro Sekunde
G. Dissertori
ETH ZürichRiesige “Digitale Kameras”
Start : Nov 2006
G. Dissertori
ETH Zürich
9Riesige “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
9Bilder von Kollisionen
CMS ATLAS
LHCb
Bos à µ+µ− ALICE: Pb-Pb
G. Dissertori
ETH Zürich
Siehe z.B. Vortrag Mansoulie’ zum Higgs Boson, 13.12.12Riesige 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 ZürichRiesige 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 ZürichRiesige 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 ZürichWas 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
revoluCERN Technologien
Drei zentrale Technologie-Kompetenzen:
Parrinello, CERN
G. Dissertori
ETH Zürich 14CERN Technologien
Drei zentrale Technologie-Kompetenzen:
Beschleunigung
von Teilchenstrahlen
Parrinello, CERN
G. Dissertori
ETH Zürich 14CERN Technologien
Drei zentrale Technologie-Kompetenzen:
Detektion
Beschleunigung von Teilchen
von Teilchenstrahlen
CMS
Parrinello, CERN
G. Dissertori
ETH Zürich 14CERN Technologien
Drei zentrale Technologie-Kompetenzen:
Detektion
Beschleunigung von Teilchen
von Teilchenstrahlen
CMS
Computing
Hoch-Leistung und Vernetzung
Parrinello, CERN
G. Dissertori
ETH Zürich 14Technologie-Transfer
Vakuum
Kältetechnik
Supraleitung
Teilchenstrahlen
Detektoren
IT/Grid
Parrinello, CERN
G. Dissertori
ETH Zürich 15Technologie-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 15Medizinische Anwendungen
Teilchenstrahlen für Tumorbekämpfung
Parrinello, CERN
G. Dissertori
ETH Zürich 16Medizinische Anwendungen
Teilchenstrahlen für Tumorbekämpfung
Teilchen-Detektor Technologien für die medizinische Bildgebung
Parrinello, CERN
G. Dissertori
ETH Zürich 16Medizinische Anwendungen
Teilchenstrahlen für Tumorbekämpfung
Teilchen-Detektor Technologien für die medizinische Bildgebung
Grid Technologie für medizinische Datenverwaltung und Analyse
Parrinello, CERN
G. Dissertori
ETH Zürich 16Hadron-Therapie
Tumor
Zielgebiet
Parrinello, CERN
G. Dissertori
17
ETH Zürich
Siehe Vortrag Möslacher zu MedAustron, 6.12.12Hadron-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, 6.12.12Hadron-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, 6.12.12Hadron-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, 6.12.12MedAustron
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 18Positron-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 19Positron-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 19Bild - Kombination: PET + CT
PET Scanner
Kombination anatomischer und funktionaler/metabolischer Information
G. Dissertori Parrinello, CERN
ETH ZürichBild - Kombination: PET + CT
PET Scanner Computer-Tomograph
(oder MRI-Scanner)
Kombination anatomischer und funktionaler/metabolischer Information
G. Dissertori Parrinello, CERN
ETH ZürichBild - 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 ZürichGrid 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 ZürichGrid 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 ZürichWeiteres 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 23Zusammenfassung
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 24Zusammenfassung
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
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