Teilchenphysik am CERN: die nächste Physikrevolution ? - Christian W. Fabjan Club Alpbach, Graz, 6.5.2008
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Teilchenphysik am CERN:
die nächste Physikrevolution ?
Christian W. Fabjan
CERN und TU Wien
Club Alpbach, Graz, 6.5.2008
Überblick
• Ein Jahrhundert Teilchenphysik in 10 Minuten
• Teilchen und Kräfte
• Offene Fragen für das 21. Jahrhundert
• Mögliche Antworten
• Wo: am LHC des CERN
• Wie: mit Instrumenten,
die 0.000 000 000 000 000 001 cm sehen
• Cui bono ?
• Fragen der und Antworten an die Gesellschaft
Physik im 20. Jahrhundert: Teilchen und…
1900 1911 1932 1967
Die kleinsten Bausteine der Materie:Quarks
…kleiner als 10-18 cm
Die verschiedenen Elemente … … bestehen aus Atomen …Elektronen …und Kerne, … deren die aus Protonen Struktur & Neutronen wir am CERN aufgebaut sind studieren…
Vier fundamentale Kräfte
Elektromagnetismus:
Bindet Elektronen an den Kern; Chemie; Biologie
Starke od. Kern-Kraft: Schwache Kraft:
bindet Kerne, Quarks im Proton verantwortlich für Radioaktivität
zusammen
lassen sie
die Sonnne
Scheinen !
Schwerkraft:
Formt Planeten, Sterne, Galaxien
‘Standardmodell’ (SM) der Teilchenphysik:
Materie (+Antimaterie) Kräfte
Bei CERN-LEP
(1988-2000) mit
0.01%
Genauigkeit
getestet und für
‘perfekt’
befunden.
LEP Æ 3
Teilchenfamilien
Higgs Teilchen, verantwortlich für die
Masse der Quarks und Leptonen.
Standardmodell der Teilchenphysik
Bei LEP mit 0.01% Genauigkeit getestet und
für ‘perfekt’ befunden.
Higgs Teilchen,
verantwortlich
für die Masse
der Quarks und
Leptonen.
‘Muss bei LHC
zu finden sein’
Status des Standard Modell’s
• Perfekte Übereinstimmung mit allen experimentellen Beobachtungen
• Vorausgesetzt, dass eine fehlende ‘Zutat’ gefunden wird
• Konsistenz mit experimentelle Daten nur, wenn das ‘Higgs Teilchen’
gefunden wird
• Mit der nächsten Maschine am CERN – Large Hadron Collider, LHC –
sollte dieses Teilchen, falls es existiert, nachgewiesen werden
• Experimentellen Daten deuten auf ein relativ leichtes Higgs Teilchen,
circa 150 mal der Masse eines Protons
• Higgs Teilchen wäre Materie-Manifestation eines universellen Feldes,
das das gesamte Universum durchdringt:
• Wechselwirkung von Elementartelchen mit dem Higgs-Feld gäbe
den Teilchen deren Masse
Woher kommt Masse der Teilchen ?
Newton:
Gewicht proportional zu Masse
photon
Einstein:
0
Energie mit Masse verbunden
Mass
Beide Konzepte erklären nicht
Ursprung der Masse
Ist das Higgs Boson verantwortlich
für die Masse der Teilchen ?
(noch ein weiteres Teilchen…!)
Wie funktioniert das ?
The `vacuum’ is a non-trivial mediumWie funktioniert das ?
Particle excites the `vacuum’Wie funktioniert das ?
Particle slowed down = gains massWie funktioniert das ?
A rumour excites the `vacuum’ mediumWie funktioniert das ?
A rumour excites the `vacuum’ medium
The excitation crosses the room = the Higgs bosonHinweis auf Higgs Masse Von Präzisionsmessungen der Wahrscheinlichkeitsverteilung W Masse @ LEP & Tevatron der Higgs Masse
Teilchenphysik = Physik des Universums
Epoche der Kernmaterie !
‘Urmaterie’Lebensspendende Kernkraft α
Kopplungskonstante α ist Maß für die Stärke der Kraft
Kernkraft spendet lebensnotwendige Wärme Kernkraft
verantwortlich für lebensnotwendige schwere
Elemente : (Sauerstoff, Kalzium, Eisen)
Diese Elemente werden am Ende einer ‘kosmischen
Generation’ in kosmischen Explosionen
(‘Supernovae’) ‘gekocht’α = 0.007 ± 0.000 03
α = 0.006…zu schwach, um Protonen und Neutronen zu
Elementen zu binden
α = 0.008…zu stark; gäbe nur schwere Elemente, aber
kein Wasserstoff
Synthese von lebensnotwendigem Kohlenstoff
3 Heliumkerne fusionieren auf Grund der Kernkraft
funktioniert nur, wenn
α = 0.007 ± 0.000 03 (± 0.5 % !)Zwischenakt: wie studieren wir Teilchen
und Kräfte ?
• Zwei Konzepte unter Benützung von Teilchenbeschleunigern
• Teilchen als Welle: Mikroskop
• Teilchen mit Energie E hat eine ‘Wellenlänge assoziiert:
• De Broglie Wellenlänge λ ≈ hc / E
• Beschleuniger wird als ‘Mikroskop’ verwendet
• Mit dieser Methode wurde der Atomkern entdeckt, der
Quarkaufbau der Protonen und Neutronen
• Teilchenkollision konzentriert Energie: Erzeugung neuer
Teilchen
• E = M c2
• Beim LHC werden wir beide Konzepte benütztenWie kann man die Strukture der Atome ‘sehen’ ? Aus dem gestreuten Licht einer Lampe sieht man die Struktur der Hand Aus der Streuung hochenergetischer Teilchen ‘sieht’ man die Struktur der Materie Durch den allgemeinen Welle-Teilchen Dualismus kann man einem Teilchen eine Wellenlänge zuordnen (λ=h/p). Höhere Teilchenenergie ⇒ kleinere Wellenlänge Beschleuniger sind Supermikroskope !
Die Struktur der Materie Optisches Sichtbares 10-6m Mikroskop Licht Radioaktive Alpha 10-14m Quelle teilchen LEP Elektronen 10-20m Beschleuniger LHC Beschleuniger: 10-100mal kleinere Details !
E=mc2
e+, e- Kollisionen am Large Electron Positron Collider (1988-2000)
Proton-Proton Kollisionen am Large Hadron Collider (2008- )
Masse = 90 000 MeV
Masse = 0.5MeV Z0 ( Higgs ?) Masse = 0.5MeV
e+ (Proton) (Proton) e-
P=45 – 110 GeV/c P=45 – 110 GeV/c
P=7000 GeV/c P=7000 GeV/cCERN Beschleuniger (nicht maßstabsgerecht)
Large Hadron Collider (LHC)
27 km Umfang, 100 m unter der Oberfläche; 4
ExperimenteEiner von 1200 Dipolmagneten: 9 Tesla bei 1.9 Kelvin betrieben
LHC: 27km supraleitende Magnete
1200 Supraleitende Dipol-Magnete
11700 AmpereThe Large Hadron Collider (LHC)
Proton- Proton und
Pb-Pb Kollisioneur
7 TeV + 7 TeV
1,000,000,000 Kollisionen/Sek
Jede Kollision gibt genug Energie
ab um ~ 14 000 Protonen zu erzeugenTeilchendetektoren wie ‘Zwiebelschalen’angeordnet
Jede Lage von Detektoren ist für einen ganz
bestimmten Teilchennachweis optimiertCMS Experiment ‘Compact Muon Solenoid’
CMS Experiment
ALICE: Primordiale ‘Ur-Materie’ ATLAS: Higgs und Supersymmetr CMS: Higgs und Supersymmetrie LHCb: Materie-Antimatter Untersch
Simulation eines ‘Higgs’ Ereingnisses
Beispiele für Higgs Signale
Auf der suche
nach der Nadel
im Heuhaufen…
γγ
Higgs -> ZZ*
-> 4 leptons ττ
Ein Higgs in 1014 Kollisionen…Die grossen Physik-Fragen
des 21. Jahrhunderts
• Was ist der Ursprung der Masse der Elementarteilchen, LHC
Higgs Teilchen ?
• Ist unsere Welt supersymmetrisch ? LHC
• Was sind die Eigenschaften der ‘Ur-Materie’ ?
LHC
• Was ist der Grund für die die Materie-Antimaterie
Asymmetrie im Universum ? LHC
• Woraus besteht die ‘dunkle’ Masse und die
‘dunkle’ Energie im Universum ? LHC
• Wie kann man die Quantentheorie der Elementarteilchen und die
Allgemeine Relativitätstheorie der Gravitation ‘vereinigen’ ?Ist unsere Welt ‘supersymmetrisch’ ?
• Konzept würde Kräfte ‘vereinigen’
• Bezieht sich auf die Rotationsgeschwindigkeit der Teilchen
• 0 ½ 1 3/2 2
• Higgs Elektron Photon Gravitino Graviton
• (Teilchen sind ‘Ballett-Tänzer’)
• Jedes Teilchen findet SUSY Partner
• Würde SM in natürlicher Weise verbessern
• Würde Beitrag zur Vereinheitlichung der Fundamentalkräfte liefern
• Könnte Erklärung für beobachtete
• ‘Dunkle Materie’ liefernVereinigung der Kräfte in einer SUSY-
Welt…
SM
SUSY
LHCAuf dem Wege zur Vereinigung der
Fundamentalen Kräfte
Wie können
die 4 Kräfte
zusammenge
stark -fasst werden
?
elektrostark
schwach elektroschwach
1984
EM Superkraft
Maxwell
Gravitation ???‘Ur-Materie’ aus Quarks und Gluonen bis einige Mikrosekunden nach dem Ur-Knall Beim LHC werden wir in Blei-Blei-Kollisionen die Kernmaterie bis zu 10 13 Grad erhitzen und die Materie ‘schmelzen’
Materie – Antimaterie Rätsel
Existenz der Antimaterie von Dirac
vorausgesagt:
selbe Masse
entgegengesetzte interne Eigenschaften:
elektrische Ladung, …
Entdeckt in der Kosmischen Strahlung
Studiert, produziert an Beschleunigern
Energie -> Materie + Antimaterie
Materie + Antimaterie -> Energie ->
StrahlungWo ist die Antimaterie geblieben?
Aus dem ‘Ur-Knall’ entstanden Materie und Antimaterie in
perfekter Symmetrie
Ungefähr 10-10 Sekunden danach wurde diese perfekte
Symmetrie verletzt
Materie und Antimaterie haben sich gegenseitig zerstrahlt
=> Kosmische Untergrund-Strahlung
Verschont blieb
1 Materieteilchen in 1 Milliarde
Stoff unseres LebensMaterie- Antimaterie
• Wegen minimaler Verletzung der Symmetrie zwischen Materie und
Antimaterie hat ein Materieteilchen in einer Milliarde überlebt.
• Der Mechanismus dieser Symmetreiverletzung ist uns nur teilweise
bekannt; wird am LHC studiert werden
• Perfektion wäre tödlich gewesen !Das mysteriöse Rezept unseres Universums • Über ~5% wissen wir nicht ‘wie’ und ‘warum’ • Über ~95% wissen wir nicht einmal ‘was’
Schwarze Löcher am LHC ?
• Falls erzeugt,
beobachtbar
• Lebensdauer und
Energie zu gering,
um in Kontakt mit
Materie zu treten
• Kosmische
Strahlung
energetischer als
LHC -> kein
Hinweis auf
‘Fortpflanzung’ von
Mini-Schwarzen
LöchernBei welchen Energie ‘Neue Physik’ ?
Origin of mass
Dark matter
Indirekt messbar ?
Kann direkt am via Kosmologie ?
LHC studiert werdenCERN in Zahlen
• 2415 staff
• 730 Fellows and Associates
• 9133 users
• Budget (2007) 982 MCHF (610M
Euro)
• Aufgaben:
• Bau, Betrieb von
Beschleunigern
• Forschung
• Ausbildung • Member States: Austria, Belgium,
Bulgaria, the Czech Republic,
• Technologie Entwicklung,
Denmark, Finland, France, Germany,
Transfer Greece, Hungary, Italy, Netherlands,
Norway, Poland, Portugal, Slovakia,
*
Spain, Sweden, Switzerland and the
United Kingdom.
• Observers to Council: India, Israel,
Japan, the Russian Federation, the
United States of America, Turkey, the
European Commission and UnescoNationen von CERN Forschern, 2/2008
Grundlagenforschung als Motor der
Angewandten Forschung
Entwicklung von Techniken zur Datenkommunikation
(WWW am CERN entwickelt)
Anwendung der Beschleunigertechnik in der Medizin
Anwendung der Detektortechnologie in der Medizin (Medipix, Kristalle)
Entwicklung von Hochtechnologie für die IndustrieErster Server at CERN
CERN: Geburtsort des
World-Wide Web
Tim Berners-Lee: der Erfinder
Erster Web-Zugriff in Kalifornien 1991Balloon
Informatik für LHC Experimente (30 Km)
CD stack with
1 year LHC data!
(~ 20 Km)
1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde
10 000 000 Milliarden Kollisionen pro Jahr
Darunter ca. 10 000 Higgs Teilchen erwartet
Nach Filterung, 100 interessante Kollisionen pro Concorde
Sekunde und pro Experiment aufgezeichnet (15 Km)
10 Megabyte digitalisierte Daten pro Kollision:
Schreibrate: 1 Gigabyte/sec
1 Milliarde Kollisionen pro Jahr aufgezeichnet Mt. Blanc
(4.8 Km)
Gespeicherte Daten 10 Pentabyte/Jahr
GRID: Weiterentwicklung des InternetVom Web zum GRID
http://
Web: Zugriff auf
Information
http://
Software
catalogs
Grid: Zugriff zu allen Computers
Informatik Strukturen
Sensor
nets
Colleagues Data archives
Konfiguration virtueller Rechner-Systeme nach BedarfDas GRID in Aktion
The LHC Grid in 2007:
¾ several 10,000 PC’s
¾100 local & national
computing centers
¾ 4 continents
usable via the web like a single
VERY large computerMedizinische Bildgebung:
Positron-Emission-Tomograph
Photonen mit
Kristallen oder
Spurendetek-
toren nachge-
wiesenCERN Technologie Transfer
Silizium-Detektoren für
Medizinische Bildgebung
Beschleuniger-Technologie
für Radioisotopen-Produktion;
Krebsbehandlung (MedAustron)
Medipix Pixel Detektor
für strahlungsarme
RöntgendiagnostikHochtechnologieentwicklung mit Industrie
• Direkte Industrielle Anwendung: Magnet Resonanz Tomographie
• Kabel/Spule sind Hauptkostenfaktoren; Entwicklung ausgelöst durch
Entwicklung superleitender Magnete für Beschleuniger
• Verringerte Kosten über
• Höhere Stromdichte und damit geringeres Spulenvolumen.
• Effizientere Litzenherstellung
• ein Markt in Mrd.- Höhe.
54MedAustron für Krebstherapie
Wird zusammen mit
einem CERN-Team
entwickelt
Abmaße des
Behandlungsbereichs:
100
CERN, × 65 m²
21.4.2006 Michael Benedikt 55Architektonischer Entwurf
56Zusammenfassend… • Eines der größten wissenschaftlichen Abenteuer wird in wenigen Monaten die Früchte einer fast 20-jährigen Vorbereitungszeit zu ernten beginnen • Erwartet werden tiefe Einsichten in unser naturwissenschaftliches Weltbild • Die fruchtbare Symbiose zwischen Teilchen und Kosmos sollte uns einen weiteren Schritt im Verständnis unseres eleganten, fein- abgestimmten Universums erlauben • Europa darf stolz sein, dass aus den Aschen des Krieges die weltweit-führende Forschungsinstutition entstanden ist: täglicher Beweis, dass wissenschaftlich-intellektueller Wettstreit alle Völker verbinden kann
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Sie können auch lesen
