LHC: Die größte Maschine der Welt

Transkript

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3 Atomhülle LHC: Die größte Woraus besteht die Materie? Durchmesser: m Teilchen: Elektronen Atomkern Durchmesser 1 fm = m Femtometer Teilchen: Protonen, Neutronen 3

4 Einfachstes Beispiel: Wasserstoff Bestandteile des Protons: 1 Elektron 1 Proton Drei Quarks Atomhülle 2 up 1 down LHC: Die größte Bestandteile eines Atoms Negativ geladene Elektronen Atomkern Positiv geladene Protonen (Neutrale) Neutronen 4

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6 Wir bauen ein Universum: Elektronen Up Down 6

7 Woher haben die Teilchen ihre Masse? Alle diese Menschen ( Higgs-Feld ) beeinflussen das Vorankommen der berühmten Person 7

8 Der Higgs-Mechanismus Ein gleichförmiges Feld kann einem dieses passierenden Teilchen Masse verleihen Dieses Feld kann Klumpen bilden: das ist das Higgs-Teilchen Higgsmechanismus illustriert von David Miller

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10 endlich gefunden! (?)

11 Die Milchstraße eine Galaxie Nachthimmel zeigt die Milchstraße Spiralgalaxie 100 Milliarden Sterne Durchmesser Lichtjahre Unsere Sonne ist Teil davon Rotationsgeschwindigkeit: 300 km/s 11

12 Astronomisch sichtbare Masse deckt sich nicht mit der, die aufgrund Gravitation vorhanden sein muss: Dunkle Materie Bullet Cluster : normale Materie (lila) und Dunkle Materie (blau)" 12

13 Dunkle Materie und Dunkle Energie Dunkle Materie sichtbar durch Gravitationseffekte Heuzutage beobachtet man zusätzlich eine Beschleunigung der Ausdehnung des Universums: Dunkle Energie 13

14 Fragen Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie? Weshalb gibt es im Universum keine Anti-Materie? Woher haben die Teilchen ihre Masse? Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik des ganz Kleinen geben die Elementarteilchenphysik Dazu verwendet man einen Teilchenbeschleuniger 14

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16 Der einfachste Beschleuniger Ein Röhrenfernseher ist der einfachste elektrostatische Beschleuniger: Erzeugung von freien Elektronen mittels Glühkathode Beschleunigung mittels Hochspannung Ablenkung mittels magnetischer Felder 16

17 Energieeinheit der Teilchenphysiker 1 Elektronenvolt (1 ev) ist die kinetische Energie, die ein Teilchen mit der Ladung e 0 erhält, wenn es durch eine Spannung von 1 Volt beschleunigt wird. Protonen im LHC haben Energien von 4000 Milliarden (4 Billionen) Elektronenvolt: Tera-Elektronenvolt 17

18 Komponenten eines Ringbeschleunigers Teilchen (Elektronen oder Protonen) Beschleunigung (Hochfrequenz-Kavität ) Magnete zum Ablenken (Dipol) Fokussieren (Quadrupol) Ein oder mehrere Detektoren an den Kollisionspunkten 18

19 LHC: Die größte CERN Luftbild 19

20 Lyon Large Hadron Collider (LHC) 27 km 20

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22 Umfang Meter Besteht aus 1232 Dipole, 858 Quadrupole, LHC: Die größte Large Hadron Collider 16 Hohlraum-Resonatoren Acht Zugangspunkte mit Experimenten Beschleunigung Beam-Dump Beam-Cleaning 22

23 56.0 mm +- 3σ ~1.3 mm 7.5m Beam 23

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25 Kollisionen LHC: Die größte Die Protonen haben % der Lichtgeschwindigkeit und eine kinetische Energie von 4 TeV. Alle 25 ns treffen zwei Wolken, jede gefüllt mit jeweils (100 Milliarden) Protonen aufeinander Dabei kollidieren Protonen miteinander up quark gluons proton down quark 25

26 Zum detektieren der so entstandenen Teilchen brauchen wir: eine Apparatur, die von möglichst allen Teilchen ihre Impulse p=m v Masse mal Geschwindigkeit und ihre Energie misst um daraus ihre Ladung und die Art der Teilchen (Elektronen, Myonen, Photonen, ) zu bestimmen: Teilchendetektor 26

27 LHC: Die größte 27

28 LHC: Die größte Compact Muon Solenoid 100 m unter der Erde Höhe: 22 m Durchmesser: 15 m Gewicht: Tonnen (fast doppelt so schwer wie der Eiffelturm) 28

29 Spurkammer Der Tracker Im innersten Teil eines solchen Detektors verwendet man meist eine Art Digitalkamera : Digitalkamera: Typisch 2 x 3 cm 2 in Spiegelreflexkamera 3-5 Fotos pro Sekunde Chip einer Digitalkamera CMS Tracker: 200 m 2 Detektorfläche 40 Millionen 3D- Fotos pro Sekunde 29

30 Teilchenkollisionen in CMS 30

31 C.-E. Wulz 31 ESA, Sep

32 C.-E. Wulz 32 ESA, Sep

33 LHC: Die größte H 2γ

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35 Erkenntnisgewinn Im Grunde sind wir neugierig Was geschah beim Urknall? Was wird in Zukunft mit dem Universum passieren? Expandiert das Universum bis in alle Ewigkeit? Warum sind die Elementarteilchen so schwer? Warum gibt es kaum Antimaterie im Universum? Woraus besteht das Universum? Zusammengesetze Aufnahme aus normaler Materie (rot) und Dunkler Materie (blau)" 35

36 Erfunden am CERN von Tim Berners-Lee Text mit Hyperlinks Einfache und schnelle Methode, um wissenschaftliche Ergebnisse auszutauschen Erster Webserver lief am CERN LHC: Die größte Das World Wide Web 36

37 LHC: Die größte Krebstherapiezentrum MedAustron Therapiezentrum für Krebstumore bei Wiener Neustadt Baubeginn 2011 Erste Patientenbehandlung 2014 Verwendet Beschleunigertechnik vom CERN Entwicklung gemeinsam mit CERN 37

38 Tumorbestrahlung mit Hadronen Vorteile gegenüber Bestrahlung mit Elektronen oder Photonen Hadronen schädigen gezielt Tumorgewebe und verschonen gesundes Gewebe vor dem Tumor (Bild: Rückenmark) Photonen 41Gy Dosis (%) Physik: Bragg-Peak Nachteile Technik komplizierter als Elektronen- oder Gamma- Bestrahlungseinrichtungen Großer Beschleuniger benötigt Kohlenstoff-Ionen <1Gy 38

39 Positron-Emissions-Tomographie (PET) Bildgebenes Verfahren in der Nuklearmedizin Verwendet Antimaterie, um Signal in Detektoren zu erzeugen. Den Patienten wird ein Positronen ausendendes Mittel verabreicht Positronen reagieren mit Elektronen und erzeugen zwei Lichtblitze in genau entgegengesetzten Richtungen Detektierung der Lichtblitze mit Detektoren Bild entsteht im Computer 39

40 CERN und HEPHY bieten ein exzellentes Arbeitsumfeld Jeder österreichische Student der Naturwissenschaften kann am CERN seine Diplomarbeit oder Disseration machen Physik Elektrotechnik Maschinenbau Informatik Interessantes Arbeitsumfeld Wissen wird nach Abschluss wieder nach Österreich zurückgebracht LHC: Die größte Ausbildungsmöglichkeiten 40

41 Grundlagenforschung als Motor für Innovation A. Einstein Relativitätstheorie 100% Wissenschaft J.C. Maxwell Elektromagnetismus 100% Wissenschaft 41

42 DANKE Mehr Informationen im Internet unter

43 Kosmische Strahlung Die Teilchen im LHC kollidieren mit 14 TeV Das entspricht dem Beschuss eines fixen Ziels mit Teilchen mit 10 5 TeV Die Kosmische Strahlung bombardiert die Erde ständig mit Teilchen bis zu 10 8 TeV Entdeckung der sogenannten Höhenstrahlung durch Viktor Hess Nobelpreis für Physik 43

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45 Wozu Higgs-Boson? Das Standardmodell beschreibt alle bekannten Teilchen aber diese Teilchen wären alle masselos! der größte Teil der Masse der für uns sichtbaren Materie kommt aus der Wechselwirkung zwischen den Elementarteilchen trotzdem zeigt das Experiment, dass auch die meisten Elementarteilchen eine gewisse Masse haben man kann die Formeln des Standardmodells so modifizieren, dass die Teilchen Masse haben aber dann sagt das Modell noch ein Teilchen voraus: das Higgs-Teilchen bis letztes Jahr nicht gefunden muss existieren, wenn das Modell richtig ist!

46 m = ( E ) 2 i ( p ) 2 i H γγ 46

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48 LHC: Die größte CERN Stromverbrauch Jährlicher Energieverbrauch: 1TWh oder 1,000,000,000 kwh Das sind im Durchschnitt ca. 100MW Leistung (Ybbs-Persenbeug: max. 236MW) LHC: 40 to 45%, davon Cryogenics: 19 bis 24% 10 to 12% für die LHC Experimente (ATLAS, CMS, ALICE und LHCb) SPS: 28 bis 32% Davon 6 bis 7% für die North Area Experimente) PS + Booster + Linac: 2 bis 3% Computing Center: 5 bis 6% Büros, Restaurants, Beleuchtung, u.s.w.: 7 bis 9%. 48

49 Datenmengen und Handhabung: Das Grid 49

50 DESY (Hamburg, D) KEK (Japan) HEPHY-Beteiligung Fermilab (USA) Bei Chicago Beschleuniger: Tevatron (Vorläufer des LHC) 6.3 km Umfang 1.96 TeV bei 2.5 MHz LHC: Die größte Ist das CERN einzigartig? Es gibt einige andere Forschungszentren für Teilchenphysik, z.b.: Andere: Stanford, Brookhaven, TRIUMPF, Grenoble, PSI, GSI, Frascati, Dubna, Novosibirsk, J- PARC, Spring-8 50

51 Willkommen am CERN

52 Zwei prinzipielle Arten von Beschleunigern Linearbeschleuniger: Weiterentwicklung eines elektrostatischen Beschleunigers Nachteil: Teilchen stehen nur einmal zur Beschleunigung zur Verfügung. Ringbeschleuniger: Beispiel LHC Vorteil: Teilchen fliegen immer und immer im Kreis Zwei Beschleuniger gegenläufig Man benötigt mehr Komponenten, um Teilchen auf Kreisbahn zu halten 52

53 Mikroskop: Licht scheint auf Objekt Linsen zur Vergrößerung Beobachtung kleiner Objekte Wo liegt die Grenze der Vergrößerung? Die Auflösung ist abhängig von der Wellenlänge des benutzen Lichts ( nm) Beugungseffekte begrenzen Auflösung Bei blauem Licht liegt sie bei etwa 0,4 µm. Wasserfloh Kleinere Objekte benötigen andere Methoden 53

54 Beobachtung noch kleinerer Objekte Elektronenmikroskop: 0.1 nm (Millionstel Millimeter) 0.1 nm = m Rastertunnelmikroskop: 0.01nm 54

55 Elektrostatische Beschleuniger Van-de-Graaff-Beschleuniger (Bandgenerator) Beschleunigungsstrecke max. 2 MV (Luft) 55

56 Ablenkung von Teilchen im Magnetfeld Magnetfelder lenken geladene Teilchen ab Stärke des Magnetfelds proportional zur Ablenkung Lorentzkraft: F=q (v x B) Rechte-Hand-Regel: Daumen in Stromrichtung Zeigefinger in Richtung der Magnetfeldlinien Mittelfinger zeigt nun in Richtung der Lorentz-Kraft (für positive Teilchen) 56

57 CERN Das Laboratorium Im schweizerisch/französischem Grenzgebiet nahe Genf insgesamt 19 Teil-Standorte 195 ha 25 km Straßen 750 Grünflächen 574 Gebäude m² Gebäudefläche m² Grundfläche m² Nutzfläche 23 Zugangsschächte 251 unterirdische Bereiche 57

58 Teilchenbeschleuniger des CERNs Injektor-Kette: Quellen LINAC 2 (bzw. 3) PSB (Booster) PS SPS LHC Weitere Beschleuniger: LEIR AD 58

59 Weitere Experimente des CERNs Testbeam Zonen: East Area West Area North Area Weitere Experimente: ISOLDE Compass N-TOF NA48/62 CNGS 59

60 Experimente am LHC Zwei Multi-Purpose Experimente: ATLAS (Punkt 1) CMS (Punkt 5) Zwei weitere, kleinere Experimente: ALICE (Punkt 2) LHC-b (Punkt 8) 60

61 Mehr Details zu den Beschleunigern 61

62 Protonenquelle LHC: Die größte 62

63 Linearbeschleuniger (LINAC2) Erste Stufe: 50 MeV Endenergie, 30m lang 63

64 Beschleuniger: Booster (PSB) Befüllt von LINAC2 4 Strahlrohre übereinander Durchmesser von 50 Meter Endenergie: 1.4GeV 1.2 Sekunden für Beschleunigung 64

65 Beschleuniger: Proton Synchrotron (PS) Gebaut 1950 Umfang Meter Endenergie 28 GeV Wichtig für Paketierung der Teilchen 65

66 Super Proton Synchroton (SPS) Umfang von 6912 Metern Unterirdisch 744 Dipolmagnete 216 Quadrupole Endenergie 450GeV 66

67 Large Hadron Collider Lage im Genfer Becken zwischen Jura und Genfer See Ca. 70 bis 170m unter der Erde 67

68 Injektion / Extraktion 68

69 LHC Ablenkmagnete (Dipole) 15m Länge, 35t Masse 1232 Stück insgesamt Magnetfeld: 8.33 Tesla Betrieb mit flüssigem Helium (insgesamt 130t) bei 1.9K 69

70 Warum kühlt man Magnete? Manche Materialien verlieren beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur komplett ihren elektrischen Widerstand: Supraleitung Entdeckt 1911 von Kamerlingh Onnes Quantenmechanischer Effekt (BCS-Theorie) Dadurch fließt Strom endlos Zusammenbruch der Supraleitung: Quenchen Magnet wird normalleitend und hat elektrischen Widerstand Aufheizung 70

71 LHC: Die größte Ist der Protonenstrahl gefährlich? 7.5m Ein Proton entspricht einer Mücke im Flug Billiarden Protonen entspricht einem Zug, der mit 150kmh mit einem anderen kollidiert Einrichtungen können zerstört werden 71

72 up quark Kollisionen LHC: Die größte Die Protonen haben % der Lichtgeschwindigkeit und eine kinetische Energie von 4 TeV. Alle 25 ns treffen zwei Wolken, jede gefüllt mit jeweils (100 Milliarden) Protonen aufeinander Dabei kollidieren rund 10 bis 20 Protonen miteinander Wahlweise werden auch Bleiionen aufeinander geschossen gluons proton down quark 72

73 Prinzipieller Aufbau eines Experiments 73

74 Bau des CMS Trackers 74

75 LHC: Die größte Was passiert wenn Teilchen kollidieren?...ein Ereignis : 1. Aufnahme 2. Datenreduktion 3. Verteilung 4. Analyse-Software 5. Auswertung 6. Ergebnis Myonen sind die Hauptkomponenten der kosmischen Strahlung Ein realistisches Bild von 100 Milliarden pp Kollisionen 75

76 Geschichte des Universums 76

77 Der Teilchen-Zoo Quarks Leptonen Up Charm Top Elektron Myon Tau Down Strange Bottom Elektron- Neutrino Myon- Neutrino Tau- Neutrino Alle bekannte Materie besteht nur aus diesen 3 Bausteinen! Quarks bilden Protonen, Neutronen Alle Teilchen mit Quarks heissen Hadronen 77

78 C.-E. Wulz 78 ESA, Sep

79 C.-E. Wulz 79 ESA, Sep

80 C.-E. Wulz 80 ESA, Sep

81 C.-E. Wulz 81 ESA, Sep