Das Higgs-Boson wie wir danach suchen

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1 Das Higgs-Boson wie wir danach suchen Beschleuniger und Detektoren Anja Vest

2 Wie erzeugt man das Higgs? Teilchenbeschleuniger Erzeugung massereicher Teilchen Masse ist eine Form von Energie! Masse und andere Energieformen können sich ineinander umwandeln E = mc 2 2

3 Wie erzeugt man das Higgs? Teilchenbeschleuniger Erzeugung massereicher Teilchen Masse ist eine Form von Energie! Masse und andere Energieformen können sich ineinander umwandeln Beispiel: Kernspaltung im Kraftwerk (Masse Wärme elektrische Energie) Teilchenkollisionen! (Bewegungsenergie Masse) E = mc 2 3

4 Teilchenkollisionen Bei Teilchenkollisionen wandelt sich ein Teil der Bewegungsenergie in Masse um So werden völlig neue Teilchen erzeugt Diese waren vorher keine Bestandteile der Protonen! 4

5 Teilchenkollisionen Bei Teilchenkollisionen wandelt sich ein Teil der Bewegungsenergie in Masse um So werden völlig neue Teilchen erzeugt Diese waren vorher keine Bestandteile der Protonen! Manchmal entstehen auch exotische Teilchen! 5

6 Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) 6

7 Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) 7

8 Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) 8

9 Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) 9

10 Der LHC (Large Hadron Collider) 10

11 Was geschieht im LHC? Protonen kreisen in entgegengesetzten Richtungen mit einer Energie von je 4 Tera-Elektronenvolt (TeV) Wenn die Protonen zusammenstoßen, entstehen neue Teilchen, die man in Detektoren nachweist 11

12 Was geschieht im LHC? Protonen kreisen in entgegengesetzten Richtungen mit einer Energie von je 4 Tera-Elektronenvolt (TeV) Wenn die Protonen zusammenstoßen, entstehen neue Teilchen, die man in Detektoren nachweist Aber von Anfang an: Es beginnt mit einer Flasche voller Wasserstoff... 12

13 Wie funktionert ein Teilchenbeschleuniger? Der einfachste Beschleuniger: alter Fernseher (Braun sche Röhre)! Elektronen erzeugen: Glühkathode...beschleunigen: elektrisches Feld (Hochspannung)...ablenken und fokussieren: elektrisches oder magnetisches Feld 13

14 Wie funktionert der LHC? Im LHC durchlaufen Pakete (Bunches) von Protonen eine kreisförmige Bahn, auf der werden sie......beschleunigt (elektrisches Wechselfeld)...abgelenkt... (Dipol-Magnete)...und fokussiert (Quadrupol-Magnete) Detektor Ablenkungsmagnet Fokussierungsmagnet Protonen-Injektion Beschleunigungsstrecke 14

15 Beschleunigung durch elektrische Felder Um in Teilchenbeschleunigern höhere Energien zu erreichen, durchlaufen die geladenen Teilchen ein elektrisches Wechselfeld: p + Wird die Polung des elektrischen Feldes im richtigen Moment umgekehrt, wird das Teilchen beschleunigt 15

16 Beschleunigung durch elektrische Felder Um in Teilchenbeschleunigern höhere Energien zu erreichen, durchlaufen die geladenen Teilchen ein elektrisches Wechselfeld: p + Wird die Polung des elektrischen Feldes im richtigen Moment umgekehrt, wird das Teilchen beschleunigt 16

17 Beschleunigung durch elektrische Felder Um in Teilchenbeschleunigern höhere Energien zu erreichen, durchlaufen die geladenen Teilchen ein elektrisches Wechselfeld: p + Wird die Polung des elektrischen Feldes im richtigen Moment umgekehrt, wird das Teilchen beschleunigt 17

18 Beschleunigung durch elektrische Felder Um in Teilchenbeschleunigern höhere Energien zu erreichen, durchlaufen die geladenen Teilchen ein elektrisches Wechselfeld: p + Wird die Polung des elektrischen Feldes im richtigen Moment umgekehrt, wird das Teilchen beschleunigt 18

19 Der LHC ist... Eine der schnellsten Rennstrecken der Welt Knapp eine Billiarde Protonen 99,999997% der Lichtgeschwindigkeit 27 km langer Tunnel Wieviele Grenzübertritte pro Sekunde? 19

20 Ablenkung durch Magnetfelder Ein Magnetfeld lenkt elektrisch geladene Teilchen senkrecht zu ihrer Flugbahn ab (Lorentzkraft): Die Richtung und Stärke der Bahnkrümmung hängen von der elektrischen Ladung und vom Impuls (also von Masse und Geschwindigkeit) des Teilchens ab Elektronen Positronen Kleiner Impuls Großer Impuls x: Das Magnetfeld zeigt vom Betrachter weg 20

21 Teilchenkollisionen im LHC 2 gegenläufige Protonenstrahlen...mit je 1400 Teilchenpaketen 100 Milliarden Protonen pro Paket 20 Millionen Paket-Kreuzungen pro Sekunde......mit je etwa 30 Proton-Proton-Kollisionen Teilchenpakete Protonen ca. 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde! Quarks, Gluonen 21

22 Teilchenkollisionen im LHC 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde! Warum? Interessante Teilchen entstehen sehr selten: ca. 1x pro 1010 Kollisionen! Welche Teilchen bei einer bestimmten Kollision entstehen, ist vom Zufall bestimmt Man kann nur vorhersagen, wie häufig welche Teilchenkombinationen vorkommen werden Vergleich der Messergebnisse mit Vorhersagen aus dem Standardmodell und anderen Theorien 22

23 Warum so viele Kollisionen? Ist der Würfel manipuliert oder nicht? 23

24 Warum so viele Kollisionen? Ist der Würfel manipuliert oder nicht? Existiert das Higgs-Boson oder nicht? 24

25 Analyse von Teilchenspuren im ATLAS Detektor 25

26 Wie weist man Elementarteilchen nach? Bildgebende Detektoren z.b.: Nebelkammer sichtbare Teilchenspuren 26

27 Wie weist man Elementarteilchen nach? Bildgebende Detektoren Elektronische Detektoren z.b.: Nebelkammer z.b: ATLAS-Detektor, Geigerzähler sichtbare Teilchenspuren elektrische Signale Eigenschaften der Teilchen werden daraus rekonstruiert 27

28 Wer ist ATLAS? 38 Länder, 177 Institute, ~ 3000 Wissenschaftler (~ 15% Frauen) 28

29 Der ATLAS Detektor 29

30 Der ATLAS Detektor 30

31 Der ATLAS Detektor Spurdetektoren... messen Spuren und Impulse von geladenen Teilchen... befinden sich in einem Magnetfeld 31

32 Der ATLAS Detektor Elektromagnetisches Kalorimeter... misst die Energie von Elektronen, Positronen und Photonen Spurdetektoren... messen Spuren und Impulse von geladenen Teilchen... befinden sich in einem Magnetfeld 32

33 Der ATLAS Detektor Hadronisches Kalorimeter... misst die Energie von Hadronen (= aus Quarks bestehende Teilchen) Elektromagnetisches Kalorimeter... misst die Energie von Elektronen, Positronen und Photonen Spurdetektoren... messen Spuren und Impulse von geladenen Teilchen... befinden sich in einem Magnetfeld 33

34 Der ATLAS Detektor Myonenkammern messen die Spuren und Impulse von Myonen... befinden sich in einem Magnetfeld Hadronisches Kalorimeter... misst die Energie von Hadronen (= aus Quarks bestehende Teilchen) Elektromagnetisches Kalorimeter... misst die Energie von Elektronen, Positronen und Photonen Spurdetektoren... messen Spuren und Impulse von geladenen Teilchen... befinden sich in einem Magnetfeld 34

35 Was misst ATLAS? Spurdetektoren: Kalorimeter: Spur Impuls und Vorzeichen der elektrischen Ladung Energie Besonders wichtig sind die transversalen Anteile von Impuls und Energie (senkrecht zum Strahlrohr): PT: transversaler Impuls ET: transversale Energie 35

36 Juli 2012: Die Higgs-Entdeckung 36

37 Beispielereignis 37

38 Und was nützt mir das heute? 38

39 Das World Wide Web Erfunden 1989 am CERN von Tim Berners-Lee Methode, um schnell und einfach wissenschaftliche Daten auszutauschen Erster Webserver lief am CERN 39

40 Positronen-Emissions-Tomografie PET: Ein bildgebendes Verfahren für die Medizin Patienten wird eine spezielle Zuckerlösung gespritzt, die ein FluorIsotop enthält, das Positronen abstrahlt (β+ - Strahler) Zucker sammelt sich in Gewebe, das viel Energie benötigt, besonders in Tumorgewebe 40

41 Positronen-Emissions-Tomografie PET: Ein bildgebendes Verfahren für die Medizin Positronen und Elektronen zerstrahlen in zwei Photonen Detektoren registrieren die Photonen Eine Software berechnet den Ursprungsort der Photonen... 41

42 Positronen-Emissions-Tomografie PET: Ein bildgebendes Verfahren für die Medizin Positronen und Elektronen zerstrahlen in zwei Photonen Detektoren registrieren die Photonen Eine Software berechnet den Ursprungsort der Photonen und setzt daraus ein Bild zusammen 42

43 Tumortherapie mit Hadronen Vorteil gegenüber Bestrahlung mit Elektronen oder Photonen: Eindringtiefe einstellbar, genaue Fokussierung auf den Tumor möglich es werden mehr Tumorzellen als gesunde Zellen zerstört gut für tiefliegende Tumore geeignet geringere Dosis nötig Nachteile: hohe Kosten, großer Beschleuniger nötig Photonen Kohlenstoff-Ionen 43

44 Grundlagenforschung als Motor für Innovation Relativitätstheorie % 100 e s s i W t f a h nsc Elektromagnetismus 44

45 The Large Hadron Collider Vote: https://ideas.lego.com/projects/

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