Der Urknall im Labor. Experimente mit schweren Atomkernen bei hohen Energien. Harald Appelshäuser Institut für Kernphysik JWG Universität Frankfurt

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1 Der Urknall im Labor Experimente mit schweren Atomkernen bei hohen Energien Harald Appelshäuser Institut für Kernphysik JWG Universität Frankfurt

2 Aufbau der Materie Materie Kristall Atom Atomkern Protonen und Neutronen Quarks Die Masse der Materie steckt überwiegend in den Atomkernen Die kleinsten bekannten Bauteile der Materie sind Quarks

3 Standardmodell der Teilchenphysik Es gibt 12 elementare Bausteine der Materie (und ihre Anti-Teilchen) Die Bausteine lassen sich nach drei Generationen sortieren (Massenunterschied jeweils etwa Faktor ) Zum Aufbau der uns bekannten Materie werden nur drei benötigt (u, d, e).

4 Standardmodell der Teilchenphysik Es gibt vier fundamentale Kräfte in der Natur Die starke Kraft wirkt zwischen Quarks und wird durch Gluonen vermittelt

5 Quarks und Hadronen u d u _ u Hadronen u Baryonen (qqq) z.b. Proton (uud) Neutron (udd) _ Mesonen (qq) z.b. Pion (uu,dd,du,ud) Quarks tragen Farbe Gluonen sind die Austauschteilchen der starken WW (Quantenchromodynamik, QCD) In der Natur sind nur farbneutrale Hadronen erlaubt (confinement)

6 Elektromagnetische und starke Kraft Elektron - Proton Quark - Quark V EM (r) V stark (r) Farbeinschluss r r V EM ( r ) α h c = r V 4 αs h c ( r ) = 3 r stark + kr α: elektromagnetische Kopplungs- konstante α s : starke Kopplungs- konstante

7 Farbeinschluss _ u _ u _ u d _ u d u u Energie des Farbfeldes steigt an _ d u Neues Quark-Antiquarkpaar wird produziert E = m c 2 _ d u Farbneutrale Hadronen Freie Quarks sind nicht beobachtbar!

8 Laufende Kopplung und asymptotische Freiheit großer Abstand r kleiner Abstand Die starke Kopplungskonstante ist nicht konstant, sondern hängt vom Abstand ab (running coupling constant). Bei sehr kleinen Abständen bzw. hohen Energien wird die Kopplung schwach (asymptotische Freiheit). Gross, Politzer, Wilczek (1974) Nobelpreis 2004

9 Confinement Atomkern Protonen und Neutronen ABER: Bei kleinen Abständen ( hohen Dichten) oder hohen Energien ( hohen Temperaturen) verschwindet die starke Kraft zwischen den Quarks und Gluonen.

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11 Deconfinement Neuer Zustand von Materie! (Quasi-)freie Quarks und Gluonen deconfinement Quark-Gluon-Plasma (QGP)

12 Frühes Universum 10 6 sec 10 4 sec 3 min 14 Milliarden Jahre K K 10 9 K 3 K

13 Kern-Kern Kollisionen bei hohen Energien Zeit Expansion und Entkopplung p π n Λ π n K π p farbneutrale Hadronen Little Bang Quark-Gluon Plasma Feuerball Erzeugung erwartet bei ε= 3 GeV/fm 3 Lebensdauer ca s Kompression und Heizen vor dem Stoß normale Kernmaterie ρ 0 = 0.17 /fm 3 ε 0 = 0.16 GeV/fm 3

14 Mirkoskope der Teilchenphysiker

15 Large Hadron Collider (LHC) LHC 8,6 km

16 Synchrotron + +e - ΔU ΔW = q ΔU Für q = e und ΔU = 1 V : ΔW = 1 ev Technische Limitierung für Protonen- und Ionen- Synchrotrons: Ablenkstärke der Magnete LHC: Collider, d.h. zwei gegenläufige Strahlen in pp: 7 TeV + 7 TeV = 14 TeV 1 TeV = ev sehr starke Magnete großer Radius

17 Large Hadron Collider (LHC) 1232 Dipolmagnete je 15 m lang Magnetfeld 9 T je ca 1MCHF werden derzeit aufgebaut

18 Large Hadron Collider (LHC)

19 Large Hadron Collider (LHC)

20 Large Hadron Collider (LHC)

21 Large Hadron Collider (LHC)

22 Large Hadron Collider (LHC) LHC 8,6 km ab 2007 ATLAS, CMS: p-p Kollisionen bei 14 TeV ab 2008 ALICE: Pb-Pb Kollisionen bei 5.5 TeV ( x 208 = 0.18 mj)

23 ALICE Experiment Transition Radiation Detector (TRD) 1000 Physiker aus 94 Instituten in 29 Ländern im Aufbau Time Projection Chamber (TPC)

24 Pb-Pb Kollision im LHC Bis zu geladene Teilchen pro Ereignis!

25 ALICE Magnet Gewicht: 7800 t Magnetfeld: 0.5 T Ablenkung geladener Teilchen im Magnetfeld aufgrund der Lorentzkraft F = qvb = v m r 2 mv = qbr Impulsbestimmung

26 TRD TPC

27 ALICE Time Projection Chamber Spurvermessung, Impulsbestimmung Detektorvolumen: 88 m 3 Datenvolumen: pads x 500 Zeit samples x 10 Bit ADC ~1 GB / s

28 ALICE Time Projection Chamber

29 ALICE Time Projection Chamber

30 ALICE Time Projection Chamber

31 Quarkonia Quarkonia: Mesonen aus einem schweren Quark-Antiquark-Paar z.b. J/Ψ, Ψ, (charm-anticharm) m J/Ψ 3 m proton Υ, Υ, (beauty-antibeauty) m Υ 10 m proton J/Ψ Υ c _ c b _ b ca. 1 J/Ψ pro Pb-Pb Kollision ca. 1 Υ pro 100 Pb-Pb Kollisionen

32 Quarkonium-Unterdrückung E = m c 2 J/Ψ c c _ c _ c kein J/Ψ c c _ c QGP _ c unterdrückte Quarkonia Produktion im QGP

33 Quarkonium-Unterdrückung T = 0 : V 4 αsh c ( r ) = 3 r stark + kr QGP Υ J/Ψ Υ Ψ r(fm) c _ c Quarkonia-Unterdrückung QGP-Thermometer

34 Quarkonia-Nachweis e + Zerfallskanäle des J/Ψ: hauptsächlich: J/Ψ viele Hadronen J/Ψ etwa 6%: J/Ψ e + e - e -

35 Identifikation von Elektronen und Positronen Wie können Elektronen und Positronen identifiziert werden? - Impulsmessung im Magnetfeld - Elektronen sind bei gleichem Impuls viel schneller als andere Teilchen, weil sie viel leichter sind suche geschwindigkeitsabhängigen Effekt: Übergangsstrahlung an Grenzflächen e Röntgenquant im kev-bereich π ε 1 ε 2

36 ALICE Transition Radiation Detector TRD Radiator

37 ALICE Transition Radiation Detector Elektronen- und Positronen-Identifikation J/Ψ, Υ, semi-leptonischer Zerfall von D, B Parameter: 540 Module -> ~760m 2 28 m 3 Xe/CO 2 (85:15) 1.2 Million Auslesekanäle Institute: Athen, Bukarest, Darmstadt, JINR, Frankfurt, GSI, PI Heidelberg, KIP Heidelberg, Köln, Karlsruhe, Kaiserslautern, Münster, Worms

38 Physik in Frankfurt 2005: Bezug des Neubaus Physik am naturwissenschaftlichen Campus Riedberg Baukosten 60 M + Geräte 10 M großzügige Labor-, Computer- und Werkstattausstattung

39 TRD Labor in Frankfurt 100 TRD-Module bis 2008

40 Quarkonia ) 2 Entries/(Events*GeV/c J/Ψ family Zoom on Ψ Υ family Simulation W. Sommer, C. Blume IKF all contributions J/ Ψ Ψ Υ Υ Υ BG from open charm BG from open beauty BG from misidentified π s uncorr. BG Invariant Mass [GeV] 1 Jahr ALICE Pb-Pb

41 Little Bang in ALICE