PRAKTIKUMSBERICHT - CERN

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1 PRAKTIKUMSBERICHT - CERN Jan Hendrik Kirchner Herbst 2010 korrigierte Version Praktikumsbericht CERN! 1

2 INHALTSVERZEICHNIS Über mich! 3 Danksagung! 3 Praktikumsbericht CERN! 4 Einleitung! 4 Geschichte! 5 CERN Organisation! 5 Wer forscht am CERN?! 5 Funktionsweise Teilchenbeschleuniger! 6 Detektoren des LHC! 8 Funktionsweise Detektoren! 9 Das physikalische Standardmode"! 11 Hi#s-Feld! 12 Hi#s-Boson! 12 Montag ! 14 Mittwoch ! 15 Freitag ! 18 Ein Blick in die Zukun%! 20 Que"en! 20 Praktikumsbericht CERN! 2

3 Über mich Mein Name ist Jan Hendrik Kirchner und zum Zeitpunkt dieses Berichts bin ich 17 Jahre alt und besuche die 12. Klasse (12b, Physikprofil) des Ludwig-Meyn-Gymnasiums. Ich habe vom bis zum ein Praktikum am CERN, dem weltgrößten Forschungszentrum für Teilchenphysik, absolviert. Vor 3 Jahren beschäftigte ich mich erstmals eingehender mit der Beschaffenheit unseres Universums und seitdem ist mein Interesse an der Physik ungebrochen. Ich lese alles über Quantenphysik und Relativitätstheorie, was ich in die Hände bekomme. In der zehnten Klasse habe ich im Zuge eines Austausches mit meiner Klasse die Gelegenheit gehabt, an einer eintägigen Führung im CERN teilzunehmen. Dieser Besuch hatte eine solche Wirkung auf mich, dass ich seitdem den Wunsch habe, dorthin zurückzukehren, um mehr zu hören, zu sehen und zu lernen. Danksagung Ein Praktikum am CERN war für mich als naturwissenschaftlich interessiertem Schüler eine der aufregendsten und interessantesten Erfahrungen meines Lebens. Ohne die Unterstützung der Studienstiftung des Ludwig-Meyn-Gymnasiums hätte ich dieses Praktikum wohl niemals durchführen können. Deswegen möchte ich dem Kuratorium an dieser Stelle vielmals danken. Ich wünsche mir, dass noch viele Schüler nach mir von dieser großartigen Stiftung profitieren. Für das Praktikum selbst war einiges an Verwaltungs- und Vorbereitungsarbeit vonnöten, die freundlicherweise von Herrn Michael Hauschild übernommen wurde. Für die Dauer meines Aufenthalts hat er sich immer darum gekümmert, dass ich etwas zu sehen und erleben hatte. Dafür möchte ich auch ihm herzlich danken. Außerdem danke ich meinem Physiklehrer Herr Hans-Jürgen Brede, der meine Bewerbung mit einem Empfehlungsschreiben unterstützt und vor allem den Kontakt mit dem CERN hergestellt hat. Darüber hinaus gab es viele Weitere, die mich bei meinen Vorbereitungen für die Reise und bei meinem Praktikum am CERN unterstützten. Auch wenn ich sie nicht namentlich erwähne, gilt ihnen ausdrücklich mein Dank. Angesichts der Tatsache, dass ich so viel Unterstützung empfangen habe, ist es mir eine Freude, etwas zurückzugeben und mit diesem Bericht meine Eindrücke und Erkenntnisse mit allen Interessierten zu teilen. Praktikumsbericht CERN! 3

4 PRAKTIKUMSBERICHT CERN Jan Hendrik Kirchner Herbst 2010 Einleitung Wie funktioniert unser Universum? Woraus besteht es und alles, das darin existiert? Wieso passiert alles genau so, wie es passiert? Können wir den Vorhang heben und einen Blick auf die Mechanismen werfen, die allem zugrunde liegen? Diese und ähnliche Fragen gehören zu den grundlegendsten, die wir Menschen uns stellen können. Der Antwort auf diese Fragen näher zu kommen, hat sich das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), das weltgrößte Forschungszentrum auf dem Gebiet der Teilchenphysik, zur Aufgabe gemacht. Bilder von meinem Aufenthalt am CERN Während meines zweiwöchigen Praktikums dort habe ich einiges über den aktuellen Stand der Forschung erfahren. In der erste Woche hatte ich die Gelegenheit an einer Vielzahl von Seminaren und Vorlesungen teilzunehmen, in denen mir zum Beispiel das physikalische Standardmodell oder die Funktionsweise der Detektoren näher gebracht wurden. Die Vorlesungen fanden teilweise direkt bei den entsprechenden Detektoren und Kontrollzentren statt. In der zweiten Woche hatte ich dann Gelegenheit, das Gelernte anzuwenden. Meine Aufgabe war es ein Analyseprogramm zu entwerfen, mit dem sich die Ergebnisse verschiedener Kollisionssimulatoren vergleichen lassen. Dadurch habe ich eine detaillierte Vorstellung davon bekommen, wie die Detektoren aufgebaut sind und welche Herausforderungen sich daraus ergeben, die gigantischen entstehenden Datenmengen korrekt auszuwerten. Am Ende der zweiten Woche stand ein sogenannter Talk an, in dem ich vor Publikum meine Ergebnisse präsentieren durfte. Mein Praktikum kann ich insgesamt als vollkommenen Erfolg bezeichnen. Ich habe nicht nur unglaublich viel gelernt und kennen gelernt, sondern bin außerdem in meiner Berufsfindung ein gutes Stück vorangekommen. Nach Abschluss des Praktikums bekam ich das Angebot, in den nächsten Sommerferien für ein sechswöchiges Praktikum zurückzukehren. Praktikumsbericht CERN! 4

5 Geschichte 1949 gab es die ersten Ansätze ziviler Forschung im Bereich der Nukleartechnik folgte dann die Gründung des Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire unter der Obhut der UNESCO und im Oktober 1952 wurde Genf als Standort für das Forschungszentrum ausgewählt. Am 1. Juli 1953 schlossen sich dann durch die Unterzeichnung der CERN Charta zwölf europäische Staaten (Belgien, Dänemark, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, die Niederlande, Italien, Jugoslawien, Norwegen, Schweden, Schweiz, Bundesrepublik Deutschland) zu gemeinsamer Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Elementarteilchen zusammen. Es folgten weitere Staaten: Österreich (1959), Spanien (1961), Portugal (1986), Finnland (1991), Polen (1991), Ungarn (1992),Tschechien (1993), Slowakei (1993) und Bulgarien (1999). CERN Organisation Das CERN Council bildet die höchste Entscheidungsinstanz des CERN und trägt damit die Verantwortung für alle wichtigen Entscheidungen. Es steuert alle wissenschaftlichen, technischen und verwaltungstechnischen Aktivitäten des CERN. Das Council setzt sich aus Vertretern der Mitgliedsstaaten zusammen. Jedes Mitgliedsland hat zwei Sitze und Stimmen. Außerdem wohnen Beobachter von UNESCO, EU u.ä. den Sitzungen bei. Bei seinen Entscheidungen wird das Council vom Scientific Policy Committee und dem Finance Committee unterstützt. Der Generaldirektor (zum Zeitpunkt dieses Berichts Rolf Dieter Heuer) wird vom Council ernannt, leitet CERN und ist bevollmächtigt, in Namen des CERN zu handeln. Dabei wird er von einem Direktorium unterstützt. Wer forscht am CERN? CERN beschäftigt knapp 2500 Menschen, darunter alles von Physikern über Ingenieure bis zu Verwaltungsangestellten. Darüber hinaus gibt es am CERN etwa 8300 Benutzer. Diese werden von den Universitäten aus der ganzen Welt zum CERN geschickt, um dort zu forschen. Sie repräsentieren 500 Universitäten und mehr als 80 Nationalitäten. Praktikumsbericht CERN! 5

6 Funktionsweise Teilchenbeschleuniger Mithilfe von Teilchenbeschleunigern ist es möglich, durch die Kollision von hochenergetischen Teilchenstrahlen neue Teilchenarten zu entdecken und zu erforschen. Grundsätzlich lässt sich dies mit folgender Formel erklären: E=mc 2 Nach dieser berühmten Formel der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein sind Masse und Energie ineinander umwandelbar. In den Teilchenbeschleunigern werden subatomare Teilchen wie Protonen oder Elektronen beschleunigt, sie erhalten dadurch kinetische Energie und werden dann zur Kollision gebracht. Durch die Kollision wird die kinetische Energie freigesetzt und teilweise in Masse, also neue Teilchen, und teilweise in Strahlung umgewandelt. Je mehr Energie verwendet wird, desto schwerere Teilchen werden erzeugt. Da die leichteren Teile, die weniger Energie benötigen, bereits entdeckt wurden, werden immer leistungsfähigere Teilchenbeschleuniger benötigt, um neue Entdeckungen machen zu können. Es gibt grundsätzlich zwei Arten von Teilchenbeschleunigern: lineare Beschleuniger und ringförmige Beschleuniger. Die ersten Teilchenbeschleuniger, die gebaut wurden, waren im Prinzip nicht mehr als eine große Gleichspannung, die die Teilchen über ein paar Meter beschleunigt und dann mit einer Wand kollidieren lässt. Allerdings lassen sich dadurch nicht höhere Energien als einige Megaelektronenvolt erzeugen, weshalb diese Art der Beschleuniger bald für die Entdeckungsphysik uninteressant wurde. Die Funktionsweise der ringförmigen Beschleuniger werde ich beispielhaft am LHC (Large Hadron Collider), der vom CERN betrieben wird, erklären. Der LHC ist der weltgrößte Teilchenbeschleuniger mit knapp 27 Kilometer Umfang und befindet sich teilweise unter der Schweiz, teilweise unter Frankreich. Die unmittelbaren Kosten des Projekts (ohne die Detektoren) belaufen sich auf etwa 3 Milliarden Euro. Durch ihn können Energien von bis zu 7 TeV erzeugt werden. Mit ihm sollen zuerst Protonen und später Bleiionen beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Zuerst wird ein Protonenplasma mit möglichst hoher Dichte in den linearen Beschleuniger LINAC 2 eingespeist. Von diesem aus werden sie über eine Reihe älterer Kreisbeschleuniger weiterbeschleunigt, bis sie letztendlich im LHC ankommen. Der LHC selbst besteht aus 2 Vakuumröhren, die von supraleitenden Magneten umschlossen werden. In den beiden Röhren laufen jeweils entgegengesetzte Teilchenstrahlen, die dann an bestimmten Stellen kontrolliert zur Kollision gebracht werden. Dadurch, dass man zwei entgegengesetzte Teilchenstrahlen kollidieren lässt, lassen sich doppelt so hohe kinetische Energien erzeugen, als wenn man die Teilchen mit einer Wand kollidieren ließe. Praktikumsbericht CERN! 6

7 Um den Teilchenstrahl auf einer geschlossenen Kreisbahn zu halten, werden möglichst perfekte Dipolmagnete benutzt, die den Strahl führen. Da individuelle Teilchen nicht exakt auf der Referenztrajektorie liegen, ist eine Fokussierung durch Quadrupolmagneten nötig. Ein einzelner Quadrupolmagnet fokussiert den Teilchenstrahl in einer transversalen Ebene und defokussiert ihn in der anderen. Deswegen ist eine Kombination mehrerer Quadrupolmagneten unterschiedlicher Polarität nötig, um eine Fokussierung in beiden Ebenen zu erreichen. Während beim Linearbeschleuniger möglichst viele Beschleunigungsfelder auf kurzer Strecke verwendet werden, werden beim Kreisbeschleuniger nur an einigen ausgewählten Stellen Beschleunigungsstrukturen verwendet. Dadurch, dass der Teilchenstrahl diese mehrfach passiert, sind sie besonders effizient genutzt. Praktikumsbericht CERN! 7

8 Detektoren des LHC Der LHC besitzt vier Detektoren, die sein eigentliche Herzstück darstellen. An diesen vier Punkten der Kreisbahn kollidieren die Teilchenstrahlen, da die entstehenden Teilchenschauer nur dort registriert und untersucht werden können. Jeder der Detektoren achtet bei der Auswertung auf ganz unterschiedliche Aspekte. ATLAS und CMS sind die beiden größten Detektoren. An ihnen soll unter anderem das Higgs-Boson entdeckt werden, sowie die Frage geklärt werden, ob Quarks und Leptonen eine Substruktur haben. Denn damit könnte sehr wahrscheinlich beantwortet werden, warum es genau drei Generationen von Elementarteilchen gibt, oder ob es gar noch weitere unentdeckte Teilchen gibt. Das LHCb-Experiment (Large Hadron Collider beauty Experiment) versucht den subtilen Unterschied im Verhalten von Teilchen und Antiteilchen zu finden, um so erklären zu können, warum nach dem Urknall so viel mehr Materie als Antimaterie übergeblieben ist, obwohl Teilchen und Antiteilchen eigentlich immer paarweise entstehen. Obwohl Beauty-Quarks im heutigen Universum nicht mehr natürlich auftreten, hat es sie kurz nach dem Urknall gegeben. Deshalb werden die Quantenfluktuationen dieser relativ schweren und instabilen Beauty-Quarks und Beauty-Antiquarks untersucht, die in der kurzen Zeitspanne zwischen Entstehung und Zerfall geschehen, um unter den dabei entstehenden virtuellen Teilchen vielleicht eine komplette Familie neuer Teilchen zu entdecken. Unter anderem könnten diese Teilchen für die dunkle Materie unseres Universums verantwortlich sein. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ist für den Nachweis und die Untersuchung von Quark-Gluonen-Plasma ausgelegt. Es sollen später hauptsächlich Bleiionen zur Kollision gebracht werden, da diese bereits eine sehr hohe Ruhemasse besitzen. Diese sollen jedoch erst am Ende der Laufzeit vom LHC eingesetzt werden. Bei den Kollisionen entstehen sehr hohe Temperaturen (ca. 10 Billiarden Grad Celsius). Steigt diese Temperatur über einen kritischen Wert, so befinden sich der Theorie zufolge Quarks und Gluonen nicht mehr im hadronischen Zustand. Es entsteht ein sogenanntes Quark-Gluonen -Plasma. Praktikumsbericht CERN! 8

9 Funktionsweise Detektoren Prinzipiell funktionieren Detektoren folgendermaßen: Die durch die Kollision entstehende Strahlung geht durch die verschiedenen Schichten und wird dort gemessen. Aus diesen Messungen lassen sich dann Rückschlüsse auf die Identität der Teilchen ziehen, die durch die Kollision entstanden sind. Der Silizium-Pixelsdetektor bestimmt mit Hilfe sehr kleiner Siliziumstrukturen die Position von geladenen Teilchen, die ihn durchqueren, auf 0,01 mm genau. Das elektromagnetische Kalorimeter dient zum Nachweis von Photonen und Elektronen (bzw. Positronen) und durch das hadronische Kalorimeter lassen sich Hadronen wie Protonen, Pionen und Kaonen vermessen. Außerdem befindet sich im Rückführjoch der Magnetspule eine Myon-Kammer, die speziell auf den Nachweis von Myonen ausgelegt ist. Die kurze gekrümmte Teilchenspur in der Schemazeichnung wäre wahrscheinlich ein Elektron. Wegen seiner Ladung wird seine Flugbahn von den Magnetfeldern beeinflusst. Es besitzt nicht genug Energie, um das elektromagnetische Kalorimeter zu durchqueren. Die lange gekrümmte Bahn wäre dann vermutlich ein Myon. Es wird ebenso wie das Elektron durch das Magnetfeld Praktikumsbericht CERN! 9

10 beeinflusst, besitzt aber eine höhere Energie und kann deshalb alle Schichten des Detektors durchqueren. Aus den Teilchenspuren lassen sich Rückschlüsse auf die Teilchensorte ziehen. Wenn man einen perfekten Detektor besäße, der alle Wechselwirkungen und alle Teilchen ermittelt, dann ließe sich auf diese Art ein direkter praktischer Beleg für die Theorie erbringen. In der Realität sind aber Detektoren nicht 100% effizient. Es wird nicht alles nachgewiesen und es gibt immer ein gewisses Hintergrundrauschen. Außerdem müssten alle Kabel, Kühlungen und ähnliches masselos sein, damit das Ergebnis nicht durch Wechselwirkungen verfälscht wird. Außerdem ist die Wartung der Detektoren sehr schwierig, das Austauschen von Einzelteilen ist mit erheblichen Komplikationen verbunden. Dementsprechend reichen Beschleuniger und Detektoren nicht aus, man benötigt außerdem Kontroll-, Auslese- und Analysesoftware. In einer Sekunde werden an einem Detektor so viele Daten generiert, wie der gesamte Datentransport der Welt in einem Jahr generiert. Deswegen muss stark selektiert werden. Nur die fehlerfreien Datensätze, die auch wirklich relevante Kollisionen beinhalten, werden behalten. Nach der Selektion ist die Datenrate auf 500 MB/Sekunde reduziert. Praktikumsbericht CERN! 10

11 Das physikalische Standardmodell Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine physikalische Theorie, durch die die bekannten Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen jenen beschrieben werden. In diesem Modell gibt es drei Arten von Teilchen (Bosonen, Quarks und Leptonen), die durch drei Arten der Wechselwirkung (schwache, starke und elektromagnetische Wechselwirkung) miteinander in Verbindung stehen. Die Voraussagen des Standardmodells sind durch Experimente recht gut bestätigt. Allerdings bezieht es nicht die vierte existierende Kraft, die Gravitation, mit ein und ist damit nicht vollständig. Auf Teilchenebene ist die Gravitation jedoch so schwach, dass das Modell auch ohne sie ziemlich präzise Vorhersagen liefert. Außerdem müssen immerhin 18 Parameter, deren Werte nicht aus der Theorie hervorgehen, anhand von experimentellen Ergebnissen festgelegt werden. Die gemessenen Werte sind jedoch nicht konsistent, was auch darauf hinweist, dass das Standardmodell noch nicht vollständig ist. Darüber hinaus wird durch das Standardmodell nicht erklärt, warum Teilchen eine Masse haben (bzw. warum manche nicht). Eine mögliche Erklärung dafür würde der sogenannte Higgs- Mechanismus liefern. Das dafür postulierte Higgs-Boson würde nach seiner Entdeckung das Standardmodell komplettieren und die Messungen der Parameter des Standardmodells konsistent machen. Bosonen P HOTON G LUON Z 0 W +/- Quarks up charm top down strange bottom Elektron Myon Tau Elektron-Neutrino Myon-Neutrino Tau-Neutrino Leptonen Praktikumsbericht CERN! 11

12 Higgs-Feld Das Higgs-Feld ist ein theoretisch vorhergesagtes Feld, durch das erklärt werden soll, warum Teilchen eine Masse haben. Die Theorie, die von Peter Higgs im Jahr 1964 entworfen wurde, sieht ein allumfassendes Feld vor, das das gesamte Universum füllt. Dieses sogenannte Higgs- Feld besitzt bereits ohne äußeres Zutun eine Feldstärke, die von Null verschieden ist, und kann dadurch mit allen Teilchen in Wechselwirkung treten. Die Masse der Elementarteilchen wird dadurch bestimmt, wie sehr sie mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung treten. Diese Wechselwirkung lässt sich anhand des folgenden Beispiels von David Miller sehr gut veranschaulichen: Der Higgs-Mechanismus lässt sich mit einer gut laufenden Prominenten-Party vergleichen, auf der es nur so von Gästen (dem Higgs-Feld) wimmelt. Alle Gäste sind gleichmäßig im Raum verteilt und unterhalten sich mit ihrem jeweils nächsten Nachbar. Nun betritt ein Prominenter (das Elementarteilchen) den Raum und möchte ihn durchqueren. Alle Gäste, die den Prominenten sehen, werden stark von ihm angezogen und scharen sich im ihn. Um ihn herum bildet sich eine Menschentraube, aufgrund deren der Prominente eine größere Masse hat als normal. Deswegen hat er bei der Bewegung durch den Raum eine höhere kinetische Energie bei gleicher Geschwindigkeit. Einmal in Bewegung ist er nur schwer zu stoppen, und einmal in Ruhe ist er nur schwer in Bewegung zu versetzen, weil die Traubenbildung um ihn herum neu beginnen muss. Je nachdem, wie bekannt der Prominente, der den Raum durchqueren will, dementsprechend groß ist auch die Menschentraube, die sich um ihn bildet. Das Ganze in drei Dimensionen betrachtet und unter Berücksichtigung der Relativitätstheorie ist der Higgs-Mechanismus. Ein Teilchen, das wie das Elektron nur schwach mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung tritt, hat dementsprechend auch eine geringere Masse als ein Teilchen, das sehr stark mit dem Higgs-Feld in Wechselwirkung tritt, wie zum Beispiel das Tau. Ein Photon erfährt keine Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld, weshalb es komplett masselos ist. Higgs-Boson Das Higgs-Feld kann mit sich selbst interagieren und sich spontan zusammenziehen, ohne dass ein Teilchen es passiert. Dadurch wird ein Teilchen gebildet, das sogenannte Higgs-Boson. Im Gegensatz zu dem Higgs-Feld ist das Higgs-Boson mess- und damit nachweisbar und kann daher als Beweis für die Theorie von Peter Higgs dienen. Dieser Nachweis gestaltet sich jedoch ziemlich schwierig, da die Masse des Higgs-Bosons unbekannt ist. Allerdings lässt sich die Masse des Higgs-Bosons auf einen bestimmten Bereich Praktikumsbericht CERN! 12

13 einschränken. Nach Berechnungen des Fermilab von 2006 liegt seine Masse wahrscheinlich zwischen 117 und 153 GeV. Zum Vergleich: Ein Elektron besitzt eine Masse von grade mal 0,5 MeV. In dem eingegrenzten Bereich sollte der LHC, der Energien bis zu 10 TeV erzeugt, aber auf jeden Fall fündig werden. Am LHC hofft man, dass bei den Kollisionen der Teilchenstrahlen kurzzeitige Verklumpungen des Higgs-Feldes erzeugt werden. Diese Higgs-Teilchen zerfallen dann aufgrund ihrer hohen Masse unmittelbar nach ihrer Entstehung, also direkt im Kollisionspunkt, wieder. Dementsprechend wird am LHC niemals ein Higgs-Boson detektiert, weil es viel zu schnell zerfällt, als dass es in die Detektoren gelangen könnte. Da jedoch aufgrund theoretischer Vorhersagen die Zerfallsprodukte des Higgs-Bosons bekannt sind, lässt sich das Higgs-Boson indirekt nachweisen, indem man seine Zerfallsprodukte nachweist. Falls man in dem vorhergesagten Bereich nicht fündig werden sollte, muss die Theorie modifiziert oder verworfen werden. Praktikumsbericht CERN! 13

14 Montag Ich habe an jedem Abend meines Praktikums einen kurzen Tagesbericht geschrieben. In diesem ersten Bericht beschreibe ich meine Eindrücke nach der Ankun%. Verdammt ist das groß. Ich hatte es groß in Erinnerung, aber es ist noch viel größer. Ein kurzes Telefonat in der Rezeption und 10 Minuten später ist mein Ansprechpartner Michael dort. Hier spricht man sich mit dem Vornamen an. Und auch die Kleiderordnung ist ziemlich frei. Mit ihm zusammen hole ich mir zuerst meinen Aufenthaltspass ab, danach checke ich ins Hostel ein. Ganz schick das Zimmer. Habe Schlimmeres erwartet. Michael gibt mir eine kurze Einweisung. Er hat wenig Zeit, in der zweiten Woche ist er fast komplett beschäftigt. Aber er hat da ein paar mögliche Projekte für mich. Mehr darüber, wenn ich mehr davon weiß. Danach Mittagessen. In dem Restaurant des CERN wimmelt es von interessanten Personen. Über die Gespräche, die sie führen, vergessen manche ihr Essen. Michael sagt, dass Physiker aus Kaffee Nobelpreise erzeugen. Und manchmal entstehen diese Nobelpreise auf Papierservietten in einem Cafe. Das CERN hat zwar haufenweise Konferenzräume, aber die meisten Konferenzen werden einfach da abgehalten, wo s Kaffee und was zu essen gibt. Coole Sache. Hier am CERN ist die nächste Woche ein Gruppe von Lehrern aus ganz Deutschland zu Gast, die eine Fortbildung machen. Die bekommen Führungen und Vorträge. Bietet sich also an, dass ich mich da ein bisschen einklinke. Heute gabs erst 3 Vorlesungen (Detektoren I + II und Antimaterie) und danach Führungen in das Computer Center, den Antiproton Decelerator und zum Schluss zum LINAC. Wegen meinem verspäteten Mittagessen hab ich die Vorlesung über Detektoren I verpasst. Die Vorlesung über Antimaterie war aber echt klasse, ich glaube ich hab alles verstanden. Die Führungen waren auch wirklich gut, aber langsam machte sich bei mir der Schlafmangel bemerkbar. Ich bin jetzt auf meinem Zimmer und beende mit diesem Kurzbericht meinen ersten Tag am CERN. Praktikumsbericht CERN! 14

15 Mittwoch Nach 10 Tagen am CERN beschreibe ich in diesem Bericht mein Projekt, das ich in der zweiten Woche bearbeitet habe. Im LHC werden 2 Protonenstrahlen gegeneinander geschossen. Dabei wird eine Menge Energie frei (um ehrlich zu sein, ist eine Menge ziemlich relativ. Effektiv entspricht die Energie ungefähr der Bewegungsenergie von einer Fliege, die durch den Raum fliegt). Aus dieser Energie entstehen dann neue Teilchen. Diese Teilchen fliegen in alle möglichen Richtungen weg und werden durch die Detektoren registriert. Die Detektoren sehen aber nicht, was für ein Teilchen da gerade durch sie durchgeflogen ist. Sie können nur detektieren, DASS da etwas durchgeflogen ist. Am Ende hat man also nur eine Reihe von Koordinaten. Aus diesen Koordinaten wird dann die Spur rekonstruiert. Anhand der Ablenkung der Spur durch die Magnete lässt sich dann zum Beispiel die elektrische Ladung des Teilchens bestimmen. So wird dann bestimmt, um welches Teilchen es sich gehandelt haben könnte. Jetzt gibt es aber nicht nur einen einzigen Zusammenstoß pro Sekunde, sondern mehrere Millionen. Und es wird nicht nur eine einzige Spur erzeugt, sondern gleich ein ganzes dutzend pro Zusammenstoß. Außerdem gibt es kontinuierlich kosmische Strahlung, die auch von den Detektoren registriert wird (die kosmische Strahlung ist viel stärker als alles, was im LHC erzeugt werden kann). Wenn man diese Menge an Daten von Hand bearbeiten wollte, dann würde man das Higgs-Boson wohl niemals entdecken. Die Spuren werden also durch Computer ausgewertet. Es gibt bestimmte Detektorprogramme, die diesen Job erledigen. Wie das aber bei hochkomplexen Dingen immer ist diese Programme funktionieren nicht perfekt. Es gibt noch einige Schrauben und Rädchen, die genauer justiert werden müssen. Wie findet man aber diese perfekte Justierung heraus? Man kann ja nicht anhand der Detektordaten justieren, denn da weiß man nicht, was letztendlich richtig ist. Was richtig ist, will man ja erst herausfinden. Deswegen macht man Folgendes: Man generiert mit einem anderen Computerprogramm künstlich Zusammenstöße der Protonenstrahlen. Man bekommt also künstliche Koordinaten von Teilchenspuren, von denen man die richtige Bahn schon kennt. Diese Koordinaten füt- Praktikumsbericht CERN! 15

16 tert man dann in das Rekonstruktionsprogramm ein und vergleicht die Rekonstruktion mit dem Original. Anhand dieser Daten lässt sich danach die Konfiguration der Rekonstruktionsprogramme verbessern. Je schneller die Simulationsprogramme laufen, desto mehr Simulationen hat man zur Verfügung, um die Rekonstruktionsprogramme zu konfigurieren. Ein Simulationsprogramm wird zum Beispiel schneller, wenn es nicht alle 7000 Tonnen Stahl, Silizium, Kupfer und so weiter eines Detektors eins zu eins digitalisiert. Man kann auch einfach grobe Annäherungen an die Bauweise der Detektoren machen. Dadurch geht alles schneller. 100 Mal schneller, um konkret zu werden. Aber jetzt stellt sich natürlich die Frage, ob man nach solchen Vereinfachungen überhaupt noch ansatzweise zu brauchbaren Ergebnissen kommt. Und das ist meine Aufgabe. Dazu vergleiche ich theoretisch einfach zwei bis drei Datensätze miteinander und lasse mir die Abweichungen grafisch darstellen. Theoretisch. Praktisch gibt es sehr viel mehr zu beachten. Verglichen wird nämlich der Energieverlust. Der entsteht dadurch, dass einige Teilchen gar nicht entdeckt werden (nicht, weil der Detektor falsch funktioniert, sondern weil man sie nicht detektieren kann). Diese Teilchen haben aber trotzdem eine Energie und die fehlt dann in der Gesamtbilanz. sind. Dieser Energieverlust variiert von Detektorschicht zu Detektorschicht. Außerdem ist der Energieverlust auch keine einfache Zahl, sondern aufgrund von quantenmechanischen Effekten nur die Wahrscheinlichkeit einer Zahl. Diese Wahrscheinlichkeit ist durch bestimmte Funktionen definiert (Stichwörter: Gaußverteilung und Landauverteilung). Sie haben dann den gleichen Extremwert, aber unterschiedliche Mittelwerte. Und das führt zu Abweichungen, die programmiertechnisch wie Fehler aussehen, aber natürlich eigentlich keine Zu jedem Energieverlust gehört ein bestimmter Winkel Eta und ein Winkel Phi dazu, die angeben, welcher Teil des Detektors betrachtet wird. Phi sollte theoretisch nicht viel am Energieverlust ändern, tut es aber trotzdem, weil der Detektor nicht 100%ig symmetrisch ist. Eta ist sehr interessant, weil da die Menge an Material variiert, durch die das Teilchen fliegt und Praktikumsbericht CERN! 16

17 damit auch direkt der Energieverlust. Wenn man Eta und Phi also variiert, dann lässt sich dadurch ein sehr guter Vergleich von zwei Simulationsprogrammen durchführen. In dem einen der Datensätze ist jedoch nicht Eta gespeichert, sondern Theta. Theta lässt sich zu Eta umrechnen mit Das muss auch mit eingebaut werden. Außerdem ist es durch die Beschaffenheit des Detektors notwendig, dass man nur bestimmte Wertebereiche von Eta betrachtet. Wenn Eta zu groß gewählt wird, dann werden auch Lücken zwischen den Detektorplatten in die Betrachtung mit einbezogen. Und deswegen tut mir mein Kopf weh. War das der Punkt, auf den ich hinaus wollte? Wahrscheinlich nicht, aber es ist wahr. Die Wahrheit ist ja leider, dass mich das Thema die nächsten Stunden dieses Abends wahrscheinlich auch nicht loslassen wird, weil bis Freitag alles präsentierbar sein muss. Freitag Uhr. Genug für heute, mehr davon, wenn mehr passiert ist. Praktikumsbericht CERN! 17

18 Diese Diagramme setzten die Simulation des ATLAS Fu" G4 Sim mit denen der Fatras Extrapolationund der Extrapolation Simple Validation-Datensätze (Verschiedene Detektorsimulationen) in Relation. Die obere Reihe ste"t den Energieverlust in Abhängigkeit zu Eta dar. Die ATLAS Fu" G4 Sim ist die langsamste, aber auch genaueste Simulation. Die untere Reihe ste"t die Abweichung der Fatras Extrapolation zur Fu"Sim dar. Die schwarze Linie markiert die 1, an dieser Ste"e liefern die beiden Simulationen gleiche Ergebnisse. Die einzelnen Spalten entsprechen unterschiedlichen Schichten des Detektors. Es ist erkennbar, dass die Fatras-Extrapolation versucht die Energieverlustkurve mit einer Landaukurve anzunähern, während die Extrapolation Simple Validation nur mit einer leicht variierten Gaußkurve mode"iert. Freitag An meinem letzten Arbeitstag hatte ich die Möglichkeit mit Wolfgang Lukas, der mein Projekt vorbereitet und mich bei meiner Arbeit unterstützt hat, unsere Arbeitsergebnisse in einem Talk zu präsentieren. Zu unserem Publikum gehörten Mitarbeiter des CERN sowie weitere Zuhörer, die die Präsentationen übers Internet verfolgten. Eine halbe Stunde vor Beginn der Präsentation war noch lange nicht alles fertig und neue Probleme taten sich en masse auf. Aber irgendwie hat es dann doch noch geklappt. Mittagessen hab ich ausfallen lassen. Da war noch so viel zu tun. Habe alle Plots fertig gemacht und sie Wolfgang gezeigt. War ein Fehler drin. Alle nochmal gemacht. Zeitdruck! Andy fährt mich mit dem Auto schon mal zum Gebäude, wo das Meeting stattfindet. Wolfgang will nur noch schnell die Präsentation hochladen und dann nachkommen. Das Meeting selbst bestand aus mehren Statusreports und einigen Präsentationen. 15 Personen, ein runder Tisch, jeder einen Laptop und eine Kamera, die alles aufzeichnet und ins Netz streamt. Die Beiträge vor und nach mir waren alle sehr kompliziert und für einen Außenstehenden (wie mich) schwer zu verstehen. Praktikumsbericht CERN! 18

19 10 Minuten vor Beginn der Präsentation fällt Wolfgang auf, dass er das falsche File hochgeladen hat. Jetzt fehlen einige Plots in der Präsentation und die Notizfolien sind mit drin. Lässt sich jetzt nicht mehr ändern, muss halt so gehen. Dann waren Wolfgang und ich mit unserer Präsentation an der Reihe. Wie alle anderen Talks auch halten wir unseren Vortrag natürlich auf Englisch. Ein paar Mal fehlen mir die entsprechenden Fachwörter, aber Wolfgang hilft mir aus. Am Ende ein bisschen Applaus und Lob und weiter geht s im Programm. Durch meine Arbeit habe ich einiges über die Stärken und Schwächen der unterschiedlichen Simulationsprogramme herausgefunden (in welchen Energiebereichen simulieren sie am besten?). Außerdem lassen sich durch meine Arbeit die Simulationsprogramme so anpassen, dass sie genauere Ergebnisse liefern. Ich bin zufrieden mit mir und der Präsentation! Praktikumsbericht CERN! 19

20 Ein Blick in die Zukunft Im vergangenen Jahrhundert wurden phantastische Fortschritte im Verständnis der Materie und des Universums gemacht. Heute wissen wir, woraus Materie besteht, und wir kennen die wichtigsten Etappen in der Entstehung des Universums. Heute stellen sich neue, tiefergehende Fragen: ( Was sind Teilchen? Sind Quarks und Leptonen wirklich elementar? ( Was ist die dunkle Materie/dunkle Energie? ( Was macht die Teilchenfamilien aus? Warum genau drei? ( Was ist der Ursprung der Naturkonstanten? Was ist ihre relevante Größe? ( Ist das Leben im Universum ein Zufall? ( Wie ist die Antimaterie verschwunden? ( Was hat die kosmische Inflation ausgelöst? Quellen Alle Bilder und Grafiken des Berichts wurden von mir selbst aufgenommen/angefertigt. Praktikumsbericht CERN! 20