GRID verbindet Computer-Zentren, Instrumente, Detektoren und

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1 GRID GRID Computing Rechenleistung aus der Steckdose GRID verbindet Computer-Zentren, Instrumente, Detektoren und ermöglicht WissenschaftlerInnen den Zugriff auf Computerleistung und Datenspeicherkapazität von 250 vernetzten Rechenzentren auf der ganzen Welt. Der Begriff GRID hat seinen Ursprung in dem Vergleich dieser Technologie zum Stromnetz (Englisch: power grid). Demnach soll GRID den BenutzerInnen einen ähnlich universellen Zugang zur Rechenleistung anbieten, wie es möglich ist, Strom aus einer Steckdose zu beziehen. GRID wurde für die Experimente am Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Forschungszentrums CERN in Genf entwickelt. Das World Wide Web (WWW) entstand ebenfalls am CERN. WWW GRID e Austausch von Information e weltweiter Zugriff auf Rechenleistung und Speicherkapazität Typische Aufgaben des GRID-Computing sind solche, die die Leistungen einzelner Computer-Zentren überfordern. Der LHC stellt gewaltige und bisher nie da gewesene Anforderungen an die Computer-Infrastruktur. Die Kollisionen der Teilchenstrahlen aus Protonen oder schweren Ionen und die daraus entstehenden Teilchen erzeugen jährlich 15 Millionen Gigabyte Daten, wobei die Ereignisse bereits im Hinblick auf die Suche nach neuen Teilchen vorselektiert sind. Diese Datenmenge entspricht einem 20 km hohen Stapel an CD s, die Jahr für Jahr bei einer geschätzten Laufzeit der LHC-Experimente von 15 Jahren zu speichern sind. Zusätzlich wird eine vergleichbare Datenmenge an simulierten Ereignissen gespeichert. Die Daten werden von tausenden WissenschaftlerInnen aus der ganzen Welt ausgewertet. Die Analyse der Daten entspricht dabei der Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Es wird erwartet, dass Higgs-Teilchen sowie auch supersymmetrische Teilchen mit anschließendem Zerfall in beobachtbare Teilchen extrem selten auftreten (einige Higgs-Teilchen pro Milliarden Kollisionen). Um die gesamte Datenanalyse durchführen zu können, benötigt man Prozessoren der derzeit schnellsten Rechner. Daraus ergab sich die Forderung zur Entwicklung einer neuartigen Infrastruktur, die weltweit verfügbare Prozessor- und Speicherkapazitäten zu einem Netzwerk zusammenfasst das GRID. Die LHC-Daten werden weltweit auf Rechenzentren verteilt, die in hierarchischen Strukturen in verschiedenen Ebenen (TIERS) miteinander verbunden sind. CERN als TIER-0 speichert die Experimentdaten und rekonstruiert die Ereignisse, wobei die erzeugten Teilchen und deren Eigenschaften bestimmt werden. Danach werden die Daten auf derzeit 11 TIER-1 Zentren verteilt. Diese TIER-1 Zentren führen erneut Berechnungen durch und stellen diese dann den etwa 160 TIER-2 Zentren zur Verfügung. Dort erfolgt die Analyse der Daten sowie eine Simulation der Ereignisse. Die WissenschaftlerInnen können somit über die TIER-2 Rechenzentren, sowie über Institutsrechner (TIER-3) als auch über Arbeitsplatzrechner (TIER-4) auf Daten und Rechenleistung zugreifen. Auch Österreich beteiligt sich an der Auswertung der LHC-Experimentdaten und stellt als TIER-2 Rechenzentrum mit Standorten in Wien und Innsbruck im Rahmen des AUSTRIAN GRID dem weltweiten GRID-Computing Netzwerk eine Rechenleistung von 1300 CPU s und die Speicherkapazität von Gigabyte an Plattenspeicher zur Verfügung. Echtzeit-Monitoring von verteilten Analyse-Jobs am GRID: Rechenzentren (Kreise): grün = laufende Jobs magenta = wartende Jobs Jobtransfers (Linien): magenta = auszuführende Jobs gelb = erfolgreich durchgeführte Jobs Bildquellen: Margarete Neundlinger,

2 CERN Das weltgrößte Forschungszentrum für Elementarteilchenphysik Das CERN, das Europäische Forschungszentrum für Teilchenphysik, ist eine Großforschungseinrichtung in der Nähe von Genf in der Schweiz. Das Akronym CERN leitet sich vom französischen Namen der Gründungsorganisation Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Europäischer Rat für Kernforschung) ab. Das Forschungszentrum wurde 1954 gegründet. Österreich trat 5 Jahre später bei. Heute ist das CERN zu einem Prototyp eines World Lab geworden, in dem mehr als Forscherinnen und Forscher von über 580 Instituten und Universitäten aus weltweit 62 Nationen arbeiten. Die Aufgabe des CERN ist die Erforschung der grundlegenden Kräfte und Teilchen aus denen unser Universum besteht. Dazu wurden in den letzten 50 Jahren etliche aufwändige Experimente gebaut. Die allgemeine Infrastruktur sowie sämtliche Teilchenbeschleuniger, wie zum Beispiel der LHC, werden vom CERN selbst geplant, gebaut und betrieben. Die Teilchendetektoren werden von internationalen wissenschaftlichen Kollaborationen getragen. Ein wichtiger Grundsatz bei alledem ist jedoch, dass jegliche Forschungs- und Entwicklungsarbeit in keinem Zusammenhang zu militärischen Zielen stehen darf. Das CERN im geographischen Sinne besteht aus mehreren Standorten. Der Hauptstandort liegt in der schweizerischen Gemeinde Meyrin und beherbergt alle wichtigen administrativen Gebäude, sowie die meistens Büros und eine Vielzahl an Konstruktionshallen und Experimentierbereichen. Darüber hinaus befindet sich in der nur wenige Kilometer entfernten französischen Gemeinde Prevessin ein weiteres Areal, das vor allem Gebäuden für logistische Zwecke und weiteren Experimentalbereichen Platz bietet. Weiters gibt es einige kleinere Gebiete in Frankreich, die den Zugang zu den großen unterirdischen Experimenten sowie den beiden großen Beschleunigern (SPS und LHC) ermöglichen. Am CERN bietet sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern jeden Alters die hervorragende Gelegenheit, bereits Bekanntes über unsere Welt zu lernen, hautnah bei der Erringung neuer Erkenntnisse mitzuwirken, und sich über all das mit Gleichgesinnten auszutauschen. Dabei wurden schon viele fundamentale Erkenntnisse über die Funktionsweise unseres Universums gewonnen. Aber nicht nur diese Entdeckungen, sondern auch die für deren Zustandekommen eigens entwickelten Technologien, sind außerordentlich. So wurde z.b. Carlo Rubbia und Simon van der Meer (1984) für die Entwicklungen, die zur Entdeckung der W- und Z- Bosonen (Schwache Kernkraft) führten, und Georges Charpak (1992) für die Entwicklung der Vieldraht-Proportionalkammer der Nobelpreis verliehen. Aber abseits von der Grundlagenforschung gab es am CERN auch immer Entwicklungen, die so revolutionär waren, dass sie heute sogar unseren Alltag mitbestimmen. So wurde das World Wide Web von einem CERN- Mitarbeiter, Tim Berners-Lee, ins Leben gerufen. Sollte es anfangs nur die Kommunikation zwischen den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern erleichtern, so bereichert es heute das Leben von Milliarden Menschen auf der ganzen Welt. Bildquellen: Hephy

3 SPIN-OFF... und was habe ich davon? Warum Grundlagenforschung? Erkenntnisgewinn als kultureller Wert an sich Die Neugierde ist eine bestimmende Eigenschaft des Menschen. Die uralte Fragen: Woher kommen wir? Wohin gehen wir? Woraus sind wir gemacht? Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält (Goethe, Faust). Erwartung fundamental neuer Anwendungen in fernerer Zukunft (an die man heute noch nicht denken kann). Als Beispiel: vor 200 Jahren war Elektrizität ein Kuriosum ohne erkennbaren Nutzen. Es ist zu erwarten, dass die Teilchenphysik ein ähnliches Entwicklungspotenzial besitzt. Der Zeitrahmen? Vielleicht ein Jahrhundert. Spin-Off = Entwicklung neuer Technologien als Nebenprodukt bei der Durchführung von Großforschung, und ihre Nutzbarmachung durch Technologie-Transfer. Die Teilchenphysik war und ist hierbei besonders fruchtbar durch die Herausforderungen in den Bereichen Beschleuniger, Detektoren und Analyse. Markante Beispiele für solche Spin-offs: e Medizin: 2 Diagnostik mit PET 2 Hadron-Krebstherapie 2 Bestrahlungsplanung e Material- und Bio-Wissenschaften: 2 Synchrotronstrahlung 2 Neutronenspallationsquellen 2 Röntgenlaser 2 Diagnostik mit Gas- und Halbleiterdetektoren 2 Visualisierung e Informationstechnologie: 2 Massive Parallelrechner 2 World Wide Web 2 GRID e Wirtschaft: 2 Data Mining 2 Zeitanalysen von Börsenkursentwicklungen e Energietechnik: 2 Supraleitung 2 Reaktorsicherheit 2 Abfallentsorgung Der gesellschaftliche Spin-off Beitrag der zivilen Großforschung, speziell der Teilchenphysik, zur Völkerverständigung. Die CERN-Gründung 1954 diente der westeuropäischen Einigung und der Überwindung des Eisernen Vorhangs und dient heute der Heranführung der Dritten Welt (CERN wurde schon für den Friedensnobelpreis vorgeschlagen). Beitrag durch Ausbildung an Großforschungszentren. Als Beispiel: CERN hat ein vielfältiges Programm für SommerstudentInnen, technologie-orientierte DiplomandInnen und DissertantInnen (Spezialprogramm für ÖsterreicherInnen in Zusammenarbeit mit dem BMWF), und Postdocs. Der gewonnene Knowledge-Transfer durch die Arbeit in einer internationalen Umgebung und in industriellem Stil unterstützt erfolgreiches Wechseln in die Wirtschaft, und leistet einen Beitrag zur Konkurrenzfähigkeit Österreichs. Bildquelle: Margarete Neundlinger

4 CMS COMPACT MUON SOLENOID Das Compact Muon Solenoid CMS ist einer der vier großen Detektoren am Large Hadron Collider LHC, mit denen die Teilchenkollisionen des LHC beobachtet und aufgezeichnet werden. Mit dem CMS-Detektor wollen die Physikerinnen und Physiker die Phänomene der Elementarteilchenphysik, die im Energiebereich des LHC auftreten, möglichst umfassend erforschen. Dafür ist der CMS-Detektor besonders auf die genaue Vermessung und Identifizierung von Müonen, Elektronen und Photonen ausgelegt, die charakteristische Merkmale zum Beispiel für die Erzeugung und den Zerfall von Higgs- und supersymmetrischen Teilchen sind. Die internationale CMS-Kollaboration umfasst Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter von mehr als 180 Instituten aus fast 40 Ländern. Der LHC erzeugt im Zentrum des CMS-Detektors 600 Millionen Proton- Proton-Kollisionen pro Sekunde. Im Mittel finden 20 Ereignisse (Kollisionen zweier Protonen) gleichzeitig statt und das wiederholt sich alle 25 Nanosekunden (Milliardstel Sekunden). Die Flugbahnen und die charakteristischen Eigenschaften der in den Kollisionen entstehenden Teilchen müssen mit dem CMS-Detektor genau bestimmt werden, um diese Ereignisse daraus zu rekonstruieren. Deshalb umschließt der CMS-Detektor fast lückenlos den Bereich, in dem die Kollisionen stattfinden. Seine mechanische Gliederung ist für moderne Detektoren an Kollisionsmaschinen typisch: ein durch Zylinderlagen aufgebauter Zentralbereich, das Barrel, in dessen Zylinderachse sich das LHC-Strahlrohr befindet, und jeweils eine Endkappe an den beiden Enden des Detektors. Jede Schicht des CMS-Detektors erfüllt spezifische Aufgaben: Der Tracker im Zentrum ist ein hochpräzises Spurvermessungssystem und zeichnet die Flugbahnen elektrisch geladener Teilchen auf. Er besteht aus einem Silizium-Pixel-Detektor und im äußeren Teil aus Silizium-Streifen- Detektoren. Die Kalorimeter bestimmen die Energie der auftreffenden Teilchen - auch die der elektrisch neutralen Teilchen: das elektromagnetische Kalorimeter für Photonen und Elektronen, das hadronische Kalorimenter für Hadronen (zum Beispiel für Neutronen und Protonen). Der weltgrößte supraleitende Solenoid-Magnet (6m Durchmesser) erzeugt ein Magnetfeld von 4 Tesla (etwa mal stärker als das Erdmagnetfeld). Damit werden die Flugbahnen der Teilchen entsprechend ihrer elektrischen Ladung und ihrem Impuls gekrümmt. Im Eisenjoch des Magneten befinden sich vier Lagen mit Müon-Kammern zur Vermessung der Müonen, die auf Grund ihrer geringen Wechselwirkungswahrscheinlichkeit die inneren Detektorelemente durchdringen. Die elektronischen Signale aus den Müon-Kammern und den Kalorimetern werden in der Entscheidungslogik eines Selektionssystems, dem Trigger, verwendet. Mit dem Trigger werden die physikalisch interessanten Ereignisse aus den 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde gefiltert. Zum Beispiel ist die Detektion von mehreren hochenergetischen Müonen ein Kriterium für ein interessantes Ereignis. Schließlich werden nur die Daten von einigen hundert Ereignissen pro Sekunde aufgezeichnet und im weltweit verteilten LHC-Computing-GRID, dem Analysenetzwerk für den LHC, gespeichert und ausgewertet. Das Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ist in drei Schwerpunkten am CMS-Experiment beteiligt: 2 am Tracker mit Silizium-Detektoren und Ausleseelektronik, 2 am Trigger mit Selektionslogik und Elektronik, 2 an der Datenauswertung mit Methoden zur Rekonstruktion von Teilchenspuren und Wechselwirkungspunkten. Im Rahmen des LHC-Computing-GRID besitzt das Institut ein eigenes Rechenzentrum und benutzt es zur Gewinnung von Physikresultaten, im Besonderen im Rahmen der supersymmetrischen Theorien. Müon-Kammern Eisenjoch des Magneten Silizium-Streifen-Tracker Elektromagnetisches Kalorimeter Hadronisches Kalorimeter Pixel-Detektor Supraleitende Spule Vorwärts-Kalorimeter Der CMS-Detektor (teilweise geöffnet im Schema) Gewicht t, Gesamtlänge 21 m, Durchmesser 15 m Bildquellen: Cern, Hephy

5 LHC LARGE HADRON COLLIDER Der Large Hadron Collider LHC ist der derzeit größte und leistungsstärkste Beschleuniger der Welt. Der LHC wurde im September 2008 am CERN, dem europäischen Forschungszentrum für Teilchenphysik, in Betrieb genommen. Dieser Teilchenbeschleuniger ist ein unterirdischer Speicherring von fast 27 km Umfang, in dem zwei Protonen-Strahlen (Protonen sind Hadronen) mit fast Lichtgeschwindigkeit in gegenläufiger Richtung kreisen. An vier Stellen dieses Ringes befinden sich riesige unterirdische Experimentierhallen, in denen die Protonen der beiden Strahlen mit bisher unerreichter Energie von 2 mal 7 TeV ( = 14 Teraelektronvolt) zum frontalen Zusammenstoß gebracht werden. Die in diesen Kollisionsereignissen entstehenden Teilchen werden von den Physikerinnen und Physikern mit Hilfe der neu entwickelten großen Detektoren der Experimente ALICE, ATLAS, CMS und LHCb beobachtet. Zwei wesentlich kleinere Experimente, TOTEM und LHCf, haben spezielle Aufgabenstellungen. In einem weiteren Betriebsmodus kann der LHC auch Kollisionen von hochenergetischen Blei- Ionen erzeugen. Jeder der beiden Protonen-Strahlen des LHC enthält 2808 Pakete zu je hundert Milliarden Protonen. In einer Kette von Vorbeschleunigern werden die Protonen vorerst erzeugt und zu immer höheren Energien gebracht. Schließlich werden sie in die beiden hochevakuierten Strahlrohre des LHC eingeschossen, wo ihnen bei jedem Umlauf im elektrischen Wechselfeld der supraleitenden Beschleunigungseinheiten ( Kavitäten ) weitere Energie zugeführt wird, bis sie ihre endgültige Energie erreicht haben (ganz nahe an der Lichtgeschwindigkeit). Die Protonen-Pakete, mit einem zeitlichen Abstand von 25 Nanosekunden (Milliardstel Sekunden) zueinander, kreisen dann für mehrere Stunden im LHC. Die gespeicherte Energie in jedem dieser Strahlen beträgt ca. 350 Megajoule, dies entspricht der Bewegungsenergie eines 400 Tonnen schweren Zuges bei einer Geschwindigkeit von 150 km/h. bei jedem Umlauf von Neuem wieder begegnen, entstehen im Zentrum der experimentellen Detektoren jeweils ungefähr 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde. Im LHC werden neben den Einheiten zur Beschleunigung der Protonen insgesamt 9593 Magnete eingesetzt, um die Protonen-Strahlen auf ihren ringförmigen Bahnen zu führen, sie im Bereich der Detektoren (in den geraden Abschnitten des Speicherrings) zu fokussieren und in einem möglichst kleinen Volumen zur Kollision zu bringen. Die größten Magnete sind die 1232 supraleitenden Dipol-Ablenkmagnete, deren neuartige Two in One -Konstruktion die beiden Strahlrohre des LHC in einer einzigen mechanischen Magnetstruktur integriert. Sie werden bei extrem tiefen Temperaturen von -271,3ºC ( = 1,9 Kelvin) betrieben. Um die Magnete, die in acht Bogenstücken den LHC-Ring bilden, auf dieser Temperatur zu halten, werden 120 Tonnen flüssiges Helium eingesetzt. Damit ist der LHC auch das größte Kältesystem und die größte supraleitende Anlage der Welt. Weitere wichtige Elemente für den Betrieb des LHC-Beschleunigers sind die 54 Blenden ( Kollimatoren ) und das sogenannte Beam- Dump-System. Die Kollimatoren dienen dem Schutz der Magnete und der Experimente, indem sie Protonen stoppen, die zu weit von der idealen Umlaufbahn abweichen. Das Beam-Dump-System muss die Teilchenstrahlen bei Bedarf möglichst schnell und kontrolliert aus dem LHC-Ring extrahieren. Schweiz Frankreich Frankreich Trotz der enorm hohen Anzahl von Protonen in jedem Paket ist es sehr unwahrscheinlich, dass zwei Protonen bei einem Umlauf aufeinander treffen. Beim gegenseitigen Durchdringen zweier Protonen-Pakete kommt es im Mittel nur zu 20 Proton-Proton-Kollisionen. Da sich die Pakete aber CMS LHCb ATLAS ALICE Bildquellen: Cern

6 ELEMENTARTEILCHEN Elementarteilchen - die kleinsten bekannten Bausteine der Welt Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts galt ein Atom als unteilbar, bis entdeckt wurde, dass es aus einer Hülle von Elektronen sowie einem Kern aus Protonen und Neutronen besteht. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden eine Vielzahl weiterer Teilchen sowie Antiteilchen gefunden. Dies führte in weiterer Folge zur Entdeckung der Quarks. Proton und Neutron bestehen aus je drei Quarks. Sie sind somit im Gegensatz zum Elektron auch nicht mehr elementar. Zusammen mit dem Elektromagnetismus (Photon als Kraftteilchen), der für die Sonnenenergie wesentlichen schwachen Kraft (W- und Z-Teilchen) und der starken Kraft (Gluonen), die für die Stabilität der Atomkerne sorgt, folgte die Entwicklung des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Es enthält alle Teilchen, die aus heutiger Sicht unteilbar sind und somit als Elementarteilchen gelten. Alle Teilchen des Standardmodells konnten experimentell nachgewiesen werden, außer dem mysteriösen Higgs-Teilchen. Es wurde bereits vor über 40 Jahren vorhergesagt, um zu erklären, woher die Elementarteilchen Masse haben. Sollte es existieren, wird es mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit am LHC beobachtet werden können. Es gibt jedoch weitere ungeklärte Fragen, wie beispielsweise: e Wieso sind die Naturkräfte einerseits so unterschiedlich stark, lassen sich aber andererseits bei hohen Energien scheinbar vereinigen? e Woraus besteht die Dunkle Materie, die ja ca. 85% der gesamten Materie im Universum ausmacht? Eine der in diesem Zusammenhang am meisten diskutierten Theorie ist die Supersymmetrie (SUSY). Hier werden allen Elementarteilchen schwerere supersymmetrische Partner zugeordnet - die SUSY-Teilchen. Stimmt diese Theorie, sollte man sie am LHC finden können. Andere Theorien sagen die Existenz von weiteren Dimensionen voraus. In diesen Extra-Dimensionen geht ein Teil der Gravitationskraft verloren, so dass sie in unseren üblichen vier Dimensionen (Zeit und Raum) sehr viel schwächer als die anderen Kräfte ist. e Leben wir in einer supersymmetrischen Welt? e Gibt es zusätzliche Dimensionen? e Oder überrascht uns die Natur mit etwas gänzlich Unerwarteten? Unabhängig davon, mit der Inbetriebnahme des LHC beginnt eine sehr spannende Zeit. Denn schlussendlich geht es um nichts weniger als um die Entstehung und die Bausteine unseres Universums und damit auch der Erde und des Menschen. Materieteilchen Quarks Up Charm Top Down Strange Bottom Leptonen Elektron Elektronneutrino Müon Kräfteteilchen 8 Gluonen Müonneutrino Tauon Tauneutrino Photon Z W + W

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