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Transkript

1 Dies ist eine Vorlage für Mitglieder der ATLAS-Kollaboration, die öffentliche Vorträge im Zusammenhang mit der Première des Films Illuminati (im Originaltitel Angels and Demons, nach dem gleichnamigen Buch von Dan Brown) am 13. Mai 2009 geben möchten. Teile dieses Films sind in der ATLAS-Kaverne gedreht worden. Diese Datei kann frei verändert oder ergänzt werden. Zusätzliche Bilder sowie Filmausschnitte können vom Web unter folgender Adresse geladen werden: 1

2 Sony war hat uns bereitwillig unterstützt bei der Vorbereitung der Vorträger und uns großzügig mit Auszügen und Szenen des Films ausgestattet. Allerdings müssen die Nutzungsvereinbarungen eingehalten werden! Generell können Video und Bilder unverändert benutzt werden. Das heißt, Bilder und Video dürfen in keiner Weise verändert werden. Bitte nicht das Markenzeichen/Copyright entfernen; es ist extra klein gehalten. Es ist in Ordnung die wissenschaftlichen Aspekte anzusprechen. Es sollte jedoch nicht vergessen werden, daß es sich um eine erfundene Geschichte und nicht um Fachliteratur handelt. Es ist unnötig, den Film wegen seiner dichterischen Freiheiten zu kritisieren; es ist schließlich kein Dokumentarfilm. 2

3 Antimaterie in Film und Wissenschaft Vortragender Universität / Institut Mai 2009 TM & 2009 Columbia P icture s Indus trie s, Inc. All R ights R e s e rve d. 3

4 Antimaterie in Film und Wissenschaft Vortragender Universität / Institut Mai 2009 TM & 2009 Columbia P icture s Indus trie s, Inc. All R ights R e s e rve d. 4

5 Als Wissenschaftler, die auch mal ein gutes Buch lesen, wissen wir zu schätzen, daß Illuminati aufregende Physikthemen am CERN ins Rampenlicht eines weiten Publikums bringt. ATLAS.ch/angels und AngelsAndDemons.com und 5 TM & 2009 Columbia P icture s Indus trie s, Inc. All R ights R e s e rve

6 Antimaterie im Drehbuch von TM & 2009 Columbia P icture s Indus trie s, Inc. All R ig hts R e s e rve d. In der Geschichte von Illuminati gehen Banditen an ein Forschungsinstitut mit dem Namen CERN. Sie stehlen ein halbes Gramm Antimaterie in einem Kanister, den sie nach Rom mitnehmen, um ihn als Bombe zu benutzen. TM & 2009 Columbia P icture s Indus trie s, Inc. All R ig hts R e s e rve d. Ein Geldschein wiegt ein Gramm. Eine Feder wiegt ein halbes Gramm. 6

7 am LHC (Large Hadron Collider) CERN ist in der Wirklichkeit eine Forschungseinrichtung in Genf (Schweiz). Und Teile des Films wurden tatsächlich im ATLAS-Experiment am CERN gedreht. 7

8 am LHC (Large Hadron Collider) Der LHC (Large Hadron Collider) ist ein Beschleuniger am CERN. Übersicht der LHC-Experimente Protonen zirkulieren in beiden Richtungen und werden in den Experimentierhallen zur Kollision gebracht. 27 km Umfang 100 Meter unter der Erdoberfläche 8

9 Das ATLAS-Experiment Animation ansehen (wird später eingefügt) 9

10 ATLAS-Detektor Schnittbild Personen, maßstabsgetreu 10

11 Antimaterie-Materie-Reaktion Es stimmt ebenfalls, daß Materie und Antimaterie sich vernichten, wenn sie aufeinandertreffen. Ihre Masse wird in Energie gemäß der Einstein-Gleichung E = mc2 umgewandelt. 11

12 Die Hälfte aller bei ATLAS erzeugten Teilchen ist Antimaterie. Die Hälfte der hier gezeigten Teilchenspuren gehören zu AntimaterieTeilchen. 12

13 Wenn wir sie sammeln könnten Wenn wir einen Weg finden könnten, ein halbes Gramm Antimaterie zu sammeln, Wenn wir sie in einen Behälter füllen könnten, Wenn wir sie unversehrt an einen entfernteren Ort bringen könnten, dann wäre das tatsächlich eine zerstörerische Bombe wie in TM & 2009 Columbia P icture s Indus trie s, Inc. All R ights R e s e rve d. Ein Geldschein wiegt ein Gramm. Eine Feder wiegt ein halbes Gramm. 13

14 Aber sie wird sofort vernichtet. Sämtliche in ATLAS erzeugte Antimaterie wird innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde wieder vernichtet (annihiliert). 14

15 Tom Hanks Frage Als Tom Hanks ATLAS am CERN besichtigt hat, hat er gefragt, wieviel Antimaterie seinen Kaffee warmhalten würde. 15

16 Tom Hanks Frage Wenn sämtliche im ATLASExperiment erzeugte Antimaterie irgendwie in seiner Tasse landen würde, würde die Temperatur um ungefähr 1 Kelvin (Differenz 1 C) pro Stunde steigen. Natürlich würde der Kaffee in der selben Zeit von selbst um 10 K bis auf Zimmertemperatur abkühlen. 16

17 Wie schnell bekommt man ½ g? Wenn ATLAS irgendwie sämtliche erzeugte Antimaterie aufsammeln könnte, dann würden wir 10 Millionen Jahre brauchen, um ½ Gramm Antimaterie zu erhalten. Ein halber Geldschein wiegt ½ Gramm. 17

18 Im Universum allerdings wurden enorme Mengen Antimaterie erzeugt. Übrigens wurden auch beim (Urknall) gleichviel Materie und Antimaterie erzeugt. Genau wie im ATLAS-Experiment! 18

19 Nur Glück? Materie und Antimaterie im Universum hätten sich schon vor langer Zeit gegenseitig in Nichts auflösen sollen, sodaß nur ein unwirtlicher Ort ohne Leben zurückgeblieben wäre. Notice Aber durch Zufall existieren wir doch! Wie konnte das passieren? 19

20 Wir hatten Glück, weil unmittelbar nach dem Urknall (Big Bang) Materie und Antimaterie eben nicht genau gleich waren. 10,000,000,001 Hier! Materie 10,000,000,000 Antimaterie Dann kam die große Annihilation! 20

21 Nach der großen Annihilation wir 1 Materie Antimaterie Alle Antimaterie und alle Materie waren verschwunden, bis auf einen kleinen Teil und das sind wir! 21

22 Warum war da der kleine Unterschied? Diese Frage ist eines der großen Rätsel des Universums und wird an fast 200 Universitäten und Instituten in ATLAS untersucht werden. 22

23 Materie und Antimaterie haben Masse. Aber was ist der Ursprung der Masse? Was gibt den Elementarteilchen wie Quarks und Elektronen ihre Massen und warum sind sie so unterschiedlich? 23

24 Das Higgs-Boson Der schottische Professor Peter Higgs vermutete, daß aller Raum von einem Feld (oder Äther) durchsetzt wird, dem Higgs-Feld. In der Quantentheorie hat jedes Feld ein zugeordnetes Teilchen, und damit in diesem Fall ein Higgs-Boson. Higgs wurde schon im ATLAS Experiment gesehen, allerdings in Form von Prof. Higgs, nicht dem Higgs-Boson. 24

25 Higgs-Boson Zum Verständnis, wie das Higgs-Boson funktioniert, kann man sich einen Raum voller Physiker vorstellen, die sich angeregt unterhalten und wie ein Higgs-Feld den Raum ausfüllen. 25

26 Higgs-Boson... dann betritt ein bekannter Wissenschaftler den Raum. Während er weitergeht, erzeugt er eine Störung dadurch, daß alle Bewunderer sich mit jedem Schritt um ihn sammeln Somit erhöht sich der Widerstand, der sich seiner freien Bewegung entgegensetzt. In anderen Worten, er erhält Masse; genau wie ein Teilchen, das sich durch ein Higgs-Feld bewegt. -- Prof. David Miller 26

27 μ μ+ Wie ein HiggsBoson-Ereignis bei ATLAS aussehen könnte. Simuliertes Ereignis In diesem Ereignis wurde ein nach unten gerichteter Teilchenschauer erzeugt, sowie ein nach oben austretendes Higgs, welches fast unmittelbar wieder zerfiel gemäß der Reaktionsgleichung e e+ H Z+Z Z e + e+ Z μ + μ+ 27

28 Aber es gibt mehr als Materie und Antimaterie Wenn wir unser Universum betrachten, sehen wir sehr viel mehr als gewöhnliche Materie (oder Antimaterie). Zusammensetzung des Universums Gewöhnliche Materie Wir nennen dieses mehr dunkle Materie, weil wir sie nicht sehen. Aber was ist sie? 28

29 Dunkle Materie Dunkle und helle Materie nur stimmt das nicht ganz. 29

30 Viele Hinweise auf ihre Existenz In Galaxien und Galaxienhaufen Die sichtbare Masse in Spiralgalaxien reicht nicht aus, um ihren Zusammenhalt zu erklären. Aufspaltung von dunkler und normaler Materie in der Kollision zweier Galaxiecluster Photos: Mit freundlicher Genehmigung der NASA 30

31 Was ist dunkle Materie? Wissen wir nicht. Aber wir haben da unsere Idee. Wenn die Bestandteile der dunklen Materie neue, bisher unbekannte Teilchen sind, dann sollte das ATLAS-Experiment diese entdecken und etwas Licht in das Geheimnis der dunklen Materie bringen. 31

32 Gibt es in anderen Dimensionen auch Materie? Gibt es mehr Raumdimensionen, die wir nicht sehen können? (Dali, The Disintegration of the Persistence of Memory, 1954) 32

33 Zusätzliche Raum-Dimensionen 33

34 Gibt es zusätzliche Dimensionen? Um zu verstehen, warum Extra-Dimensionen vorgeschlagen wurden, betrachten wir: Was ist schwächer: Schwerkraft oder Elektromagnetismus? Was ist stärker: Ein kleiner Magnet oder der gesamte, massive Erdball? Damit ist die Schwerkraft sehr schwach. Warum ist Schwerkraft so schwach? 34

35 Warum ist Schwerkraft so schwach? Electromagnetismus ist auf die üblichen drei Raumdimensionen beschränkt. Vielleicht sieht die Schwerkraft die anderen Raumdimensionen. Da die Gesamtkraft sich verteilt, wird sie abgeschwächt. Electromagnetismus Schwerkraft 35

36 Wie kann es zusätzliche Dimensionen geben? Wir stellen uns einen Seiltänzer und einen Floh auf einem Drahtseil vor. Der Seiltänzer kann auf dem Seil vorwärts und rückwärts laufen. Aber der Floh kann auch seitwärts um das Seil laufen. Wenn der Floh weiter zur Seite läuft, kommt er nach einem Umlauf wieder zum Ausgangspunkt zurück. 36

37 Wie kann es zusätzliche Dimensionen geben? Somit hat der Seiltänzer eine Dimension und der Floh hat zwei Dimensionen, aber eine diese Dimensionen ist eine geschlossene Schleife. Der Seiltänzer kann nur eine Dimension des Seils erkennen, so wie wir nur eine Welt in drei Dimensionen sehen, obwohl sie mehr haben könnte. Solch eine Situation kann nicht bildlich dargestellt werden, aus genau dem Grund, daß wir uns nur bis zu drei Dimensionen bildlich vorstellen können. 37

38 Das Unbekannte Das ATLAS-Experiment am LHC (Large Hadron Collider) führt die Physik auf unbekanntes Gelände. Am aufregendsten ist das völlig Unbekannte: Neue Prozesse und Teilchen, die unser Verständnis von Energie und Materie, möglicherweise auch Raum und Zeit, grundlegend verändern würden. Wir werden die grundlegenden Kräfte verstehen, die unser Universum seit dem Beginn der Zeit geformt haben und sein Schicksal bestimmen. (Photo: Fifi Mandirac) 38

39 Wer baut und betreibt ATLAS? 2500 Wissenschaftler aus fast 200 Universitäten und Instituten in 37 Ländern 19 39

40 Wer baut und betreibt ATLAS? 2500 Wissenschaftler aus fast 200 Universitäten und Instituten in 37 Ländern 19 40

41 Als Wissenschaftler, die auch mal ein gutes Buch lesen, wissen wir zu schätzen, daß Illuminati aufregende Physikthemen am CERN ins Rampenlicht eines weiten Publikums bringt. Wir hoffen, daß der Zuschauer, dem die Wissenschaft im Film nahegebracht wurde, sich weiterhin dafür interessieren wird und an unserer Leidenschaft und unseren experimentellen Erfolgen mit uns teilhaben kann TM & 2009 Columbia P icture s Indus trie s, Inc. All R ights R e s e rve

42 THE END ATLAS.ch/angels + AngelsAndDemons.com

43 Weiterführende Fragen Es ist zu erwarten, daß spätestens in der Diskussionsrunde die Frage nach den schwarzen Löchern gestellt wird. Daher stellen wir dazu drei Bilder zur Verfügung. Buch und Film von Dan Brown benutzen sogenannte Ambigramme, die Symmetrien von Schrift und Buchstaben ausnutzen. Auch das kann ein geeigneter Aufhänger für Symmetrien in der Physik sein. 43

44 Ereignis mit mikroskopischem Schwarzem Loch 44

45 Mikroskopische Schwarze Löcher? Gemäß einigen theoretischen Modellen könnten winzige Schwarze Löcher in Kollisionen am LHC erzeugt werden. Diese würden dann sehr schnell zerfallen und von den Experimenten gemessen werden. (Je winziger das Schwarze Loch, desto schneller zerfällt es.) 45

46 Sind mikroskopische Schwarze Löcher gefährlich? Kosmische Strahlung bombardiert ständig die Erdatmosphäre mit Protonen, die weitaus mehr Energie haben als im LHC. Somit erzeugen kosmische Teilchen in der Erdatmosphäre alles, was der LHC erzeugen kann. Das ist bisher viereinhalb Milliarden Jahre während der gesamten Lebenszeit des Planeten Erde geschehen. Und die Erde ist immer noch da! Der LHC erlaubt uns lediglich, diese Prozesse im Labor zu untersuchen (wohlgleich mit wesentlich geringerer Energie als die der kosmischen Strahlung). Daher besteht keine Gefahr. LHC ist in dieser Beziehung absolut Vortragender sicher. Mai

47 Ambigramme (1) Erde, Luft (Wind), Feuer, Wasser sind die elementaren Bestandteile der Welt in der mittelalterlichen Alchimie, in gewissem Sinne Vorgänger von Quarks und Leptonen. Diese (falsche) Theorie inspirierte bereits zahlreiche Autoren. 47

48 Ambigramme (2) Symmetrien sind eines der Grundprinzipien der Feldtheorie und somit der modernen Teilchenphysik. 48