Accelerating Science and Innovation. Die Welt der kleinsten Teilchen --- Herausforderung und Zuversicht

Transkript

1 Accelerating Science and Innovation Die Welt der kleinsten Teilchen --- Herausforderung und Zuversicht R-D Heuer Olten, 5. September 2018

2 Accelerating Science and Innovation Erforschung der Welt der kleinsten Teilchen benötigt große Experimente, große Infrastrukturen, internationale Zusammenarbeit....ein Institut wie CERN

3 CERN 1954: Gegründet von 12 europäischen Staaten heute: 22 Mitgliedstaaten ~ 3800 Angestellte und Kurzzeitverträge ~ Wissenschaftliche Nutzer Mitgliedstaaten: Austria, Belgium, Bulgaria, Czech Republic, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Israel, Italy, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Romania, Slovak Republic, Spain, Sweden, Switzerland, United Kingdom Assoziierte Mitgliedstaaten: Cyprus, India, Lithuania, Pakistan, Serbia, Slovenia, Turkey, Ukraine Beobachterstatus: Japan, Russia, United States of America; European Union, JINR, UNESCO 3

4 CERN 1954: Gegründet von 12 europäischen Staaten heute: 22 Mitgliedstaaten ~ 3800 Angestellte und Kurzzeitverträge ~ Wissenschaftliche Nutzer Mitgliedstaaten: Austria, Belgium, Bulgaria, Czech Republic, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Israel, Italy, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Romania, Slovak Republic, Spain, Sweden, Switzerland, United Kingdom Assoziierte Mitgliedstaaten: Cyprus, India, Lithuania, Pakistan, Serbia, Slovenia, Turkey, Ukraine Beobachterstatus: Japan, Russia, United States of America; European Union, JINR, UNESCO 4

5 Wissenschaft am CERN ist global Herkunft der wissenschaftlichen Nutzer am CERN 26

6 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

7 Von Mitte der 50er: der erste Beschleuniger (das Synchrocyclotron) wird angeliefert...

8 ... bis heute: CERN Beschleuniger

9 Die wissenschaftliche Herausforderung: Erforschung der Entwicklung des frühen Universums Big Bang 380,000 Jahre 13.8 Milliarden Jahre cm Heute

10 Die wissenschaftliche Herausforderung: Erforschung der Entwicklung des frühen Universums Big Bang das Large Hadron Collider Projekt = Super-Mikroskop mit 4 Riesenaugen (Beschleuniger mit weltweit höchster Energie, ausgerüstet mit 4 großen Experimenten) erlaubt die Rekonstruktion der Bedingungen ca ( s) nach dem Urknall

11 Das Large Hadron Collider Projekt Größtes(?) wissenschaftliches Instrument je gebaut: Teilchenbeschleuniger mit 27km Umfang, ca. 100m unter der Erde Proton-Proton (und Pb-Pb) Stöße, um Mikrokosmos und Bedingungen des frühen Universums zu erforschen Millionen mal pro Sekunde in vier riesigen Experimenten wird aufgezeichnet was in diesen Stößen vor sich geht am Accelerating Science and Innovation

12 Das Large Hadron Collider Projekt Um ein solches Projekt zu realisieren mussten und müssen viele Tausende Techniker, Ingenieure und Physiker aus vielen Ländern, aus vielen unterschiedlichen Disziplinen jahrzehntelang zusammenarbeiten, um neue Technologien und neue Konzepte zu entwickeln at Accelerating Science and Innovation

13 Wir benötigen die schnellste Rennstrecke auf unserem Planeten Hundert Billionen Protonen (10 14 ), gepackt in bis zu 2808 Paketen, rasen mit % der Lichtgeschwindigkeit im 27km Ring in beiden Richtungen (und das über 11,000 mal pro Sekunde), auf der Bahn gehalten durch 1232 supraleitende Dipolmagnete, 15m lang, 8.3 Tesla Magnetfeld

14 Magnete bestehen aus supraleitenden Niobiumsträngen Die Gesamtlänge der Stränge entspricht knapp 7mal dem Erdumfang. Die einzelnen feinen Drähte innerhalb der Stränge reichten 5mal zur Sonne und zurück

15 Für den Betrieb der Magnete brauchen wir einen der kältesten Orte im Universum Mit einer Arbeitstemperatur von etwa -271 Celsius, entsprechend 1.9 Grad über dem absoluten Nullpunkt ist der LHC kälter als das heutige Universum. 80 t superflüssiges Helium kühlen die Magnete (gesamte Masse etwa 37,000 t) auf diese Temperatur.

16 Wenn alle technologischen Herausforderungen gemeistert sind, wollen wir die Welt der kleinsten Teilchen erforschen. 16

17 proton beams Beschleuniger colliding protons Protonstöße interacting quarks Quark/Gluon - Wechselwirkung production and decay of new particles Messen, was in den Stößen geschieht

18 Wir kreieren dabei einen 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

19 Seit 2010: eine neue Ära der Grundlagenforschung LHCb CMS ATLAS Vier riesige Detektoren registrieren was sich in den Stößen ereignet LHC ring: 27 km circumference ALICE

20 Detektoren sitzen in großen unterirdischen Hallen (bis zu 100 m Tiefe) Max. 53m lang, 35m hoch (10-Stockwerke), 30m breit, 300'000 t Gestein ausgeschachtet, 50'000 t Beton verarbeitet und nun mit großen Detektoren zu füllen...

21 ATLAS detektor: 46m lang, 25m Durchmesser, 7000 t, ~100M Sensoren, ~3000km Kabel Toroidmagnet: 1.08 GJ gespeicherte Energie, 20.5 ka zusammengebaut in der Halle Ingenieurskunst vom Feinsten : hochempfindliche Teile aus aller Welt müssen mm-genau zusammenpassen

22 .der fertige Detektor Das gesamte Volumen ist gefüllt mit >100 M Sensoren verschiedenster Art, entwickelt in über 40 Ländern durch über 3000 Physiker und Ingenieure. Durchschnittliche Messgenauigkeit: 0.1 mm im gesamten Volumen ATLAS (wie auch CMS) ~3000 Mitglieder aus ~40 Ländern

23 Soziologie Große internationale Arbeitsgruppen man lernt gemeinsam zu arbeiten Zusammenarbeit und Wettbewerb Diversität: Unterschiede anerkennen und nutzen Chance, keine Bedrohung Einfluss auf Denk- und Arbeitsweise Information: Geben und nehmen Management über gemeinsame Ziele Management durch Überzeugen, durch Motivation

24 Protonen kollidieren im Zentrum des Detektors.der fertige Detektor Das gesamte Volumen ist gefüllt mit >100 M Sensoren verschiedenster Art, entwickelt in über 40 Ländern durch über 3000 Physiker und Ingenieure. Durchschnittliche Messgenauigkeit: 0.1 mm im gesamten Volumen ATLAS (wie auch CMS) ~3000 Mitglieder aus ~40 Ländern

25 Kann das alles zusammen funktionieren? Eine Milliarde Protonenpaarstöße pro Sekunde. In diesen Stößen werden Hunderte Milliarden Teilchen pro Sekunde erzeugt. Wir wollen Physiksignale untersuchen, die 10 bis 11 Größenordnungen seltener sind als alle Signale zusammengenommen. Die Erdbevölkerung liegt bei etwa Personen; die Aufgabe der LHC Detektoren ist vergleichbar damit, die eine Person in der gesamten Menschheit zu finden die einem speziellen Satz von Kriterien entspricht. und es funktioniert!

26 Entdeckung 2012, Nobelpreis für Physik 2013 The Nobel Prize in Physics 2013 was awarded jointly to François Englert and Peter W. Higgs "for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider.

27 Das Higgs-Teilchen ist besonders! 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 ist der erste fundamentale Skalar je entdeckt Warum sollte das Higgs-Teilchen das einzige Teilchen seiner Art sein? LHC kann nach diesen Skalaren suchen und sie untersuchen

28 diese Entdeckung ist erst der Anfang! was sind die nächsten Schritte? es ist EIN Higgs-Teilchen! ist es DAS Higgs-Teilchen (des Standardmodells)? oder eines von mehreren (eine Familie)? seine Eigenschaften können Informationen über Dunkle Materie liefern über 20% des Universums: Dunkle Materie 28

29 Soweit zu den wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen Was gibt uns (insbesondere heute) Zuversicht?

30 Nachhaltige Entwicklung braucht Vertrauen, Vertrauen unter allen Beteiligten Wissenschaft als Beispiel friedlicher, kulturell übergreifender Zusammenarbeit

31 Das Beispiel seit über 60 Jahren: CERN eine Europäische Organisation mit globaler Nutzerschaft ein Beispiel dafür, was wir erreichen können, wenn Europa und seine Partner zusammenarbeiten 1954 European Reconstruction 1 st Session of CERN Council 1980 The East Meets the West Visit of delegation from Beijing Today Global Collaboration The LHC brings together > 8000 scientists and some 100 nationalities Beispiele aus der Anfangszeit: Verhandlungen zw. Israel und Deutschland; durchlässiger eiserner Vorhang

32 Letzter Paragraph des Editorials in The Guardian, 4 März 2015, über CERN/LHC

33 die Welt der kleinsten Teilchen Innovation, Entdeckung, Offenheit, Gemeinsamkeit und Brückenschlag über kulturelle und nationale Grenzen

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35 Ein neues Beispiel: SESAME (Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East) SESAME ist eine Synchrotronstrahlungsanlage im Bau in Allan (Jordanien) zur Förderung wissenschaftlicher und technischer Exzellenz im mittleren Osten und darüber hinaus (und vor allem Rückkehr von wissenschaftlich ausgebildeten Personen) durch Ermöglichung von Weltklasseforschung auf vielen Gebieten, z.b. Biologie, Physik, Chemie, Archäologie und Medizinforschung

36 SESAME ist eine Synchrotronstrahlungsanlage im Bau in Allan (Jordanien) zum wissenschaftlichen und kulturellen Brückenschlag zwischen unterschiedlichen Gesellschaften durch eine friedliche Zusammenarbeit. folgt exakt dem Modell von CERN

37 Installation completed Nov girders 16 dipoles 64 quadrupoles 64 sextupoles 32 vacuum Chambers 110 ion-pumps 1 km water-pipes 12 km cables