Physik am LHC Vernetzung für excellente Forschung - Volker Gülzow (DESY), Christian Grimm (DFN) DFN-Forum, Bonn, 20.6.2011

Physik am LHC

Vernetzung für excellente Forschung

Volker Gülzow (DESY), Christian Grimm (DFN)

DFN-Forum, Bonn, 20.6.2011

Der Beginn der Erkenntnis

               Warum ist es nachts eigentlich dunkel ?
Triviale Antwort (?): Weil die Sonne nicht scheint.

Kann das wahr sein?

Nehmen wir mal an, der Himmel wäre unendlich groß und das Universum wäre
unveränderlich, unendlich alt und mit unendlich vielen Sternen gefüllt.

Dann würden wir, wohin wir auch blicken, auf die Oberfläche eines Sterns schauen.

Der Himmel müsste also auch nachts taghell sein!

Er ist es aber nicht (das ist eine Beobachtung, also ein Experiment).

Also kann was mit den Annahmen (dem Modell) nicht stimmen!

Suchen wir also das Ende des Himmels:

Erde: von der Scheibe zur Kugel

  •   Babylonier und Ägypter glaubten an eine scheibenförmige Erde
      •   Babylonische Weltkarte (~600 v.Chr.)
  •   Aristoteles (384-322 v.Chr.)
      wusste schon, dass die Erde eine
      Kugel sein muss:
      •   Schatten der Erde bei Mondfinsternissen
      •   Mastspitzen von entfernten Schiffen
          immer zuerst sichtbar

Claudius Ptolemäus (~100-175)

  •   Erstes geometrisches Modell der bekannten Welt
  •   Erde steht im Mittelpunkt
  •   Planeten und Sonne drehen sich um die Erde
      •   Komplizierte kreisförmige Bahnen mit Epizyklen, um die Theorie
          mit den Messwerten in Übereinstimmung zu bringen...

Die kopernikanische Wende (1543)

  •   Heliozentrisches Weltbild:
      die Sonne steht im Mittelpunkt, nicht die Erde!

Galileo Galilei (1564-1642)

  •   Entwickelte das erste brauchbare Fernrohr (weiter)

Galileos Beobachtung der Phasen der Venus

 •   Venusphasen sind mit dem
     ptolemäischen Weltbild nicht vereinbar!
 •   Experimentelle Evidenz für ein
     kopernikanisches Weltbild
     •   Jede Menge Ärger für Galileo....
 •   Das Problem der Epizyklen löste
     allerdings erst Kepler (elliptische
     Planetenbahnen)

Unser modernes Bild von der Erde

                   „Die Welt ist eine Google“ (?)

Satellitenbild der Erde

                      Entfernung: ca. 36.000 km

Die Sonne

            Entfernung: ca. 150 Mio km   Photo: ESA/NASA

Die Spiralgalaxie M83

            Photo: ESO   Entfernung: ca. 15 Mio Lichtjahre

Der tiefste Blick ins All

            Image: STScI/NASA   Entfernung: ca. 13 Mrd Lichtjahre

Stonehenge (~2000 v.Chr.)

              Prähistorische Großforschungseinrichtung(?)
                                                            Operarius, CC-BY-SA 3.0

Instrumente: Teleskope

                                                          Photo: ESO

              Europäische Südsternwarte, Paranal, Chile

Instrumente: Weltraumteleskop

                                               Photo: NASA

                  Das Hubble Space Telescope

DESY-Gelände

                                       Photo: DESY
               Entfernung: ca. 500 m

Was bringt das Ganze?

  •   Grundlagenforschung mit Beschleunigern kostet viel Geld:
       • Baukosten HERA: ~1 Mrd DM
       • Baukosten LHC: ~3 Mrd € (ohne Tunnel)
       • Baukosten XFEL: ~986 Mio €
       • Baukosten ILC : einige Mrd €

        Das Beschleunigerzentrum
         aus Sicht der Geldgeber              Der Beschleuniger aus Sicht
                                                   eines Besuchers

Ein Blick zurück nach vorn

                          Der Himmel hat ein Ende:
                        den Anfang des Universums!

    Image: STScI/NASA

Die Geschichte des Universums

    Photo: ESO

                                Graphics: CERN

Das Echo des Urknalls
              Temperaturverteilung der kosmischen Hintergrundstrahlung

Image: NASA
                      Alter des Universums: ca. 380.000 Jahre

Die Geschichte des Universums

      Photo: ESO

   Image: NASA

            Ursprung der Materie

                                   Graphics: CERN

Dunkle Energie

       Image: SLAC/N. Rager

      Eine unbekannte Kraft ‚bläst‘ unser Universum immer schneller auf

Eine neue kopernikanische Wende

      Wir (und die gesamte bekannte Materie) sind eine verschwindende
                         Minderheit im Universum!

Die Struktur der Materie

                                         Mensch:
                           Entfernung zu benachbarten Sternen
                                    z.B. Sirius: 1014km

                                                              Atom:
                                                              Mond

                                           Photo: NASA

                                                               Proton:
                                                              Kathedrale

                                            Photo: Bertrand

                                                              Quark:
                                                          Tischtennisball
    Graphics: DESY

Die elementaren Bausteine und Kräfte

                                   Elementare Kräfte

                            elektromagnetische
                              Wechselwirkung

                                 starke
                              Wechselwirkung

                                   schwache
                                 Wechselwirkung

   Extrem erfolgreiche Arbeitshypothese:
                          Was ist mit der
         Das Standardmodell    der
                           Gravitation?
         Elementarteilchenphysik                  Photo: ESA/NASA

            Photo: ESO

Der Urknall im Labor

         Graphics: CERN

HERA Tunnel

  Photo: DESY

Die Vereinheitlichung der Kräfte

    Graphics: DESY

Das Higgs-Teilchen

  •   Ein zentraler Baustein des Standardmodells fehlt noch:

                Graphics: FNAL

  •   Das Higgs-Teilchen erzeugt die Massen der Elementarteilchen!

Die Probleme des Standardmodells

  •   Es fehlt etwas:
  •   Das Higgs-Teilchen ist im Standardmodell für die Erzeugung der
      Massen zuständig. Leider wurde es noch nicht gefunden.
  •   Das Standardmodell lässt viele Fragen offen:
  •   Warum gibt es drei Generationen?
  •   Warum gibt es vier Wechselwirkungen?
  •   Was ist mit der Gravitation?
  •   Warum heben sich die elektrischen Ladungen von Elektron und
      Proton genau auf?
  •   (…)
  •   Probleme ausserhalb des Standardmodells:
  •   Was ist die dunkle Materie?
  •   Was ist die dunkle Energie?

  •   Wir suchen also eigentlich eine zugrunde liegende
  •   umfassende Theorie der Welt!

Andere Welten: Supersymmetrie

                     Gibt es
                 Supersymmetrie ?

                                    Graphics: DESY

                                                                 Dunkle Materie?

                                                 •   Sollte es SUSY-
                                                     Teilchen geben, dann
                                                     sind sie im Urknall
                                                     genauso entstanden
                                                     wie die normale Materie
Graphics: DESY

Andere Welten: Extra-Dimensionen

    •     Warum ist die Schwerkraft so schwach?

                                                  Gibt es mehr als
                                                  vier Dimensionen ?

 Graphics: DESY

Extra-Dimensionen

  •   Zusätzliche Dimensionen müssten klein aufgerollt sein

                                        Graphics: Symmetry Magazine

Die Suche beginnt

  •   Die wichtigsten Aufgaben der Elementarteilchenphysik
      für die nächsten Jahre:

  1. Den letzten fehlenden Baustein des Standardmodells
     finden: das Higgs Teilchen

  2. Hinweise auf eine fundamentalere Theorie des
     Universums suchen:
      •   Dunkle Materie
      •   Dunkle Energie
      •   Augen auf fürs Unerwartete!

Ausblick

           Graphics: ILC

CERN

       Photo: CERN

LHC: Large Hadron Collider

                                                 Graphics: CERN

  •   Proton-Proton Beschleuniger
  •   14 TeV Kollisionsenergie
  •   1232 supraleitende Dipolmagnete
  •   600 Mio Teilchenkollisionen pro Sekunde!

CERN und LHC

 Photo: CERN

ATLAS Experiment

                   Photo: CERN

ATLAS Experiment

                   Photo: CERN

CMS Experiment

                 Photo: CERN

Nah am Urknall - winzige Energien!

                  •   Die LHC-Kollisionen simulieren das Universum, als
                      es weniger als eine Billionstel-Sekunde alt war
                  •   Die Energien sind trotzdem winzig!
                  •   Die Kollisionsenergie von 14 TeV entspricht der
                      Kollisionsenergie einiger Mücken!

                  •   Die Energiedichte ist allerdings groß genug um die
                      Suche nach dem Higgs-Teilchen oder nach SUSY
                      zu ermöglichen!

 Graphics: DESY

Supraleitende Beschleunigung

                                          Photo: FNAL

  •   16.000 Beschleunigungsstrukturen
  •   Gekühlt mit flüssigem Helium
  •   31,5 MV/m Beschleunigungsgradient

Event

        44

Datenanalyse

      Daten: Selektion – Reduktion - Analyse

   Karlsruhe

Data Handling and Computation for Physics Analysis

                     event filter
detector            (selection &
                  reconstruction)

                                               event                                            processed
                                                  summary                                       data
                                                     data

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           data
                                                             batch
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                                    event                   analysis
                                reprocessing
                                                                      analysis objects
                                                                 (extracted by physics topic)

             event
           simulation
                                                                   interactive
                                                                   physics
                                                                   analysis

Der Mond

                                        Photo: NASA

           Entfernung: ca. 380.000 km