Urknall im Tunnel: Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München

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1 Urknall im Tunnel: Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 1

2 Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 2

3 Alice CMS ATLAS LHCb Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 3

4 Dimensionen und Struktur der Materie Universum Galaxie m m Sonnensystem m Erde 10 7 m Mensch 10 0 m Atom m Atomkern Nukleon m m Quark; Lepton < m Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt? VDI GMA-Kongress?????? Baden-Baden, 12. Juni 2007??? S.Bethke, MPI für Physik, München 4

5 Das Weltbild der Teilchenphysik (2007): Elementare Teilchen Quarks Leptonen u d e Generation e c s μ μ... sowie deren Antiteilchen t b Elementare Kräfte Stark El.-magn. Schwach Gravitation Austauschboson Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 5 g W ±, Z 0 Das Standardmodell der Teilchenphysik... G relative Stärke beschreibt die vereinheitlichte Elektroschwache Wechselwirkung und die Starke Wechselwirkung mit eichinvarianten Quantenfeldtheorien 1 1/ ist extrem erfolgreich in konsistenter und präziser Beschreibung der bis heute beobachteten Teilchenreaktionen

6 . Teilchenphysik und Kosmologie Zeit GEGENWART Temperatur Alter 2.7 K 13.7 Milliarden Jahre Wir sind hier Schwere Sterne Schweres Atom erste Supernovae Entstehung von Sternen und Galaxien 11 K 1 Milliarde Jahre Proto-Galaxie UNIVERSUM WIRD TRANSPARENT Bildung von Atomen. Entkopplung von K Wasserstoff Atom Helium Atom Strahlung und Materie. Jahre p p e n n p p e e Helium-Kern p e Neutrino p n n p Elektron Nukleosynthese e p Proton Photon von Helium (Wasserstoff-Kern) n 10 10K 1 sec. n Positronen verschwinden n Neutron p e p Q e Q e Q Q Formation von Q Q Q Q Q Positron Protonen und Neutronen e e Q Proton Q (Baryonen) Antiquarks verschwinden K g sec Gluon Q 10 Z W 16 K sec Q Q Q? Asymmetry Q - Q L - L e Y K 10-34sec L Inflation Q Q Q g X?? GROSSE VEREINHEITLICHUNG e? Z e Q QUANTEN- 31 Q 10 K 10-43sec L GRAVITATION Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress? Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München LHC????? materiedominierte Ära strahlungsdominierte Ära Teilchenbeschleuniger Urknall 6

7 Woher wissen wir dies alles? Wie kann man Quarks und Leptonen sehen? Wie kann man die zwischen ihnen wirkenden Kräfte erforschen und theoretisch beschreiben? (eine mögliche, aber nicht sehr wissenschaftliche Methode...) Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 7

8 Sonden zur Auflösung kleinster Strukturen Auflösung subnuklearer Strukturen } Hohe Energien (Kleine Wellenlängen) der 'Sonden' Sonde s 1/ Kleinster noch trennbarer Abstand zweier Objekte Wellenlänge der 'Sonde': z.b. Licht, Elektronen, Protonen Energie der Sonden elektromagn. Welle: E = h = h c massives Teilchen: E=m c 2 h c = h m c Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 8

9 Sonden zur Auflösung kleinster Strukturen Sonde, Instrument typ. Energie Auflösung bis ca. auflösbare Objekte sichtbares Licht ev m Viren Röntgenstrahlung; Elektronenmikroskop 10 kev m Atome, Kristallstrukt. niederenergetische Teilchenbeschleuniger Moderne Teilchenbeschleuniger (LEP, HERA) 100 MeV m 100 GeV m Atomkern Quarks & Co. -19 Large Hadron Collider 14 TeV 10 m???? Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 9

10 Inventur des Universums: Alter: 13.7 ± 0.3 Milliarden Jahre Anteil Materie: 27% ± 4% (gesamt) 4.4% ± 0.4% (baryonische Materie) 0.5% ± 0.1% (leuchtende Materie) Dunkle Materie: 22% ± 4% (unbekannt; nichtbaryonisch!) Dunkle Energie: 73% ± 4% (unbekannt!) Kandidaten für Dunkle Materie: - HDM: massive Neutrinos - CDM: Axions, SUSY-WIMPs Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 10

11 (WMAP movie) Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 11

12 if it s not dark it doesn t matter Teilchenphysik - ubi es, cui prodes, quo vadis HLL Project Review, Ringberg, April 25, 2007 S.Bethke MPI für Physik, München 12

13 Das Standardmodell der Teilchenphysik kann nicht die ultimative Theorie sein! es lässt viele fundamentalen Fragen offen: Erzeugung der Teilchenmassen (Higgs-Boson?) Quantenfeldtheorie der Gravitation Vereinheitlichung aller Kräfte (GUT; TOE) wo ist die Antimaterie geblieben? ( warum gibt es uns?? ) was sind die 95% Dunkle Materie und Energie? gibt es verborgene Raumdimensionen? Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 12

14 Beantwortung der (meisten) offenen, fundmentalen Fragen: Proton-Proton Beschleuniger im ehemaligen LEP -Tunnel am CERN Der Large Hadron Collider (LHC) p p 7 TeV 7 TeV ( ev) - Höchste Energien pro Kollision - Höchste Luminositäten Vier geplante Experimente: ATLAS, CMS (pp-physik) LHC-B (Physik der b-quarks) ALICE (Pb-Pb Kollisionen) Gebaut in einer internationalen Kollaboration von ~200 Instituten aus ~50 Ländern Geplante Inbetriebnahme: 2008 Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 14

15 Der Large Hadron Collider (LHC) Proton Proton Kollisionen: 2835 x 2835 Pakete (bunches) Abstand: 7.5 m ( 25 ns) Protonen / bunch Kreuzungsrate der p-pakete: 40 Mio. mal / sec. Luminosität: L = cm -2 sec -1 Proton-Proton Kollisionen: ~10 9 / sec (Überlagerung von 23 pp-wechselwirkungen während einer Strahlkreuzung) ~1600 geladene Teilchen im Detektor hohe Anforderungen an die Detektoren (Präzision; Strahlenschäden; Datenvolumen) Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 15

16 Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 16

17 Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 17

18 LHC Tunnel (12/2005) Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 18

19 The LHC machine First full LHC cell (~ 120 m long) : 6 dipoles + 4 quadrupoles; successful tests at nominal current (12 ka) Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 19

20 Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 20

21 ATLAS am Large Hadron Collider / CERN Länge: 44 m Höhe: 22 m Gewicht: 7000 t 1800 Physiker & Ingenieure 150 Institute 35 Nationen elektron. Auslese-Kanäle 40 MHz Kollisionsrate B/s Rohdatenfluss Planung & Aufbau bis 2006, Betrieb ab 2008, für ~ Jahre Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 21

22 Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 220

23 ATLAS muon end cap wheels Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 23

24 (muon wheel movie) Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 24

25 CMS Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 2521

26 und warum das alles? wozu braucht man (so aufwändige) Grundlagenforschung? Sonnenwind zum wissenschaftlichen Verständnis unsere Welt! Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 2632

27 (trailer: LHC movie) The Large Hadron Collider Project AEI, S. Bethke MPI für Physik, München 27

28 Ende Urknall im Tunnel: das Large Hadron Collider Projekt VDI GMA-Kongress Baden-Baden, 12. Juni 2007 S.Bethke, MPI für Physik, München 28

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