Die Welt der kleinsten Teilchen und die größte Maschine der Welt

Transkript

1 Die Welt der kleinsten Teilchen und die größte Maschine der Welt Prof. Carlo Ewerz ExtreMe Matter Institute EMMI, GSI Darmstadt & Universität Heidelberg Tag der Weltmaschine Darmstadt, 23. November 2011

2 Die Welt der kleinsten Teilchen

3 Gibt es kleinste Bausteine der Natur? Demokrit: ja! Methode: reines Denken Naturwissenschaftliche Methode: Nachsehen!

4 Kristall 0.01 m Molekül m Atom m Atomkern m Proton m Elektron, Quark -18 < 10 m

5 Periodensystem der Elemente bei GSI entdeckt!

6 Standardmodell der Elementarteilchen

7 by D. Samtleben

8 Gibt es all die Teilchen wirklich? Sie haben heute selber upund down-quarks mitgebracht! Elektronen auch! Antimaterie?! Eine Banane sendet etwa alle 15 Minuten ein Positron aus. Neutrinos?! Sie werden pro Sekunde von etwa 500 Billionen Neutrinos durchquert!

9 by D. Samtleben

10 by D. Samtleben

11 Ein sensationeller Erfolg: Das Standardmodell beschreibt mit großer Genauigkeit (fast) alle uns bekannten Beobachtungen. Und das mit nur 25 Parametern!

12 Vom Kleinen zum Großen

13 Die Geschichte des Universums

14 Licht vom Anfang des Universums

15 Die großen Fragen der Physik

16 Wo kommt die Masse her? Masse der Protonen und Neutronen: zu 98.5 % starke Wechselwirkung Aber woher bekommen die Quarks, Elektronen usw. ihre Masse? mögliche Antwort: Higgs-Mechanismus Wenn das stimmt: Es muß ein Higgs-Boson geben!... tatsächlich: es scheint so!

17 Der Higgs-Mechanismus

18 Dunkle Materie Im Universum gibt es mehr Materie als wir sehen!

19 Wie sieht man Dunkle Materie? Rotation von Galaxien:

20 Hubble Space Telescope

21 Gravitationslinsen:

22 Gravitationslinsen:

23 Gravitationslinsen:

24 Supersymmetrie? Was ist die dunkle Materie? Zusätzliche Symmetrie der Natur: Supersymmetrie!

25 Wo ist die Antimaterie? Beim Urknall wurden gleich viel Materie und Antimaterie erzeugt. Fast alles davon hat sich gegenseitig vernichtet. Nur ein winzig kleiner Anteil Materie ist übrig. Es gibt eine kleine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie!

26 Warum ist die Gravitation so schwach? andere Wechselwirkungen: Faktor

27 Wieviele Dimensionen hat die Welt? Vielleicht leben wir auf einer Membran in einem höherdimensionalen Raum?! Gravitation erscheint bei uns nur schwach!

28 Quark-Gluon Plasma Wie haben sich Quarks und Gluonen Mikrosekunden nach dem Urknall verhalten? bei hoher Temperatur: Quark-Gluon Plasma

29 Noch mehr Fragen... Wieso 3 Familien von Teilchen? Was bestimmt die Werte der 25 Parameter? Gibt es noch mehr Teilchen?... und viele andere Fragen

30 Teilchenphysik: Nicht nur Erkenntnis, sondern auch nützliche Anwendungen!

31 Wozu ist Teilchenphysik noch gut? Praktische Anwendungen aus der Teilchenphysik: Ausbildung von Studenten, internationale Zusammenarbeit WWW, Datenverarbeitung Medizinische Anwendungen... vieles mehr!

32 Entdeckt 1933: Positronen...

33 Positronen und ihr Nutzen heutige Anwendung: PET - Positronenemissionstomographie

34 Positronen und ihr Nutzen PET / CT PET / MRT

35 Positronen und ihr Nutzen Kleintier-PET

36 Beschleuniger für die Krebstherapie Schwerionentherapie- zentrum HIT in Heidelberg entwickelt bei GSI

37 Die größte Maschine der Welt: der LHC am CERN

38 CERN Europäisches Kernforschungszentrum in Genf Gegründet 1954:

39 CERN Europäisches Kernforschungszentrum in Genf... und heute:

40 CERN Europäisches Kernforschungszentrum in Genf Erste Sitzung CERN Council 1956: Christoph Schmelzer

41 CERN Mitgliedsstaaten

42 CERN Physiker aus der ganzen Welt:

43 LHC groß: 27 km Umfang Large Hadron Protonen, Bleikerne Collider werden beschleunigt und kollidieren

44 Beschleunigung von Teilchen durch elektrische Spannung:

45 Teilchenbeschleuniger zu Hause

46 LHC

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51 LHC 27 km Umfang, ca 100 m unter der Erde > 25 Jahre Planungs- und Bauzeit Baukosten: ca. 3 Mrd. Euro Energieverbrauch: 120 MW (27.5 MW für Kühlung, 22 MW für Experimente)

52 LHC Vakuum im Strahlrohr: atm 1232 Dipolmagnete (je 15 m, 30 t), viele weitere Magnete Magnete supraleitend, mit flüssigem Helium gekühlt (-271,3⁰C 1.9 K) Magnetfeld bis 8.3 T 120 t Helium im Einsatz

53 LHC Energie in den Protonstrahlen: wie zwei ICE-Züge mit 150 km/h Energie pro Proton-Proton-Kollision: wie zwei Mücken Geschwindigkeit der Protonen: 99, % der Lichtgeschwindigkeit

54 LHC 2808 Pakete à 100 Mrd. Protonen Protonen machen Umläufe pro Sekunde 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde Protonenstrahlen sind 35 μm dünn erzeugte Datenmenge: GB pro Jahr ( Stapel von CDs mit 20 km Höhe)

55 Teilchenbeschleunigung beim LHC im Prinzip: in der Praxis anders: Sonst wären 2 x 7000 Milliarden Batterien nötig.

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59 Fortbewegung im Tunnel

60 Wie sieht man Teilchen?

61 Blasenkammer (1976)

62 langwierig, aber schön!

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64 Moderne Experimente am CERN:

65 Wie man einen Detektor baut... (z.b. CMS)

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70 Atlas

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73 ALICE

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78 LHCb

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80 Erwartungen und Hoffnungen

81 Zerfall eines Higgs-Bosons

82 Higgs am LHC

83 Quark-Gluon Plasma

84 Zerfall eines mikroskopischen Schwarzen Lochs

85 Ist der LHC gefährlich?

86 Keine Gefahr! Kollisionen wie beim LHC kommen auf der Erde seit 4.5 Mrd. Jahren vor, sogar viel öfter und mit viel höheren Energien - durch kosmische Strahlung. Die trifft alles (!) im Kosmos. Und alles ist noch da!

87 23. November 2009: Erste Kollisionen

88 Begeisterung (und Erleichterung)

89 Erste Kollisionen

90 Erste Kollisionen

91 Erste Resultate veröffentlicht: 28. November 2009 First proton proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector: measurement of the charged particle pseudorapidity density at s = 900 GeV ALICE collaboration 28 Nov 2009 K. Aamodt 78, N. Abel 43, U. Abeysekara 30, A. Abrahantes Quintana 42, A. Acero 63, D. Adamová 86, M.M. Aggarwal 25, G. Aglieri Rinella 40, A.G. Agocs 18, S. Aguilar Salazar 66, Z. Ahammed 55, A. Ahmad 2, N. Ahmad 2, S.U. Ahn 50, R. Akimoto 100, A. Akindinov 68, D. Aleksandrov 70, B. Alessandro 102, R. Alfaro Molina 66, A. Alici 13, E. Almaráz Aviña 66, J. Alme 8, T. Alt 43, V. Altini 6, S. Altinpinar 32, C. Andrei 17, A. Andronic 32, G. Anelli 40, V. Angelov 43, C. Anson 27, T. Antičić 113, F. Antinori 40, S. Antinori 13, K. Antipin 37, D. Antończyk 37, P. Antonioli 14, A. Anzo 66, L. Aphecetche 75, H. Appelshäuser 37, S. Arcelli 13, R. Arceo 66, A. Arend 37, N. Armesto 92, R. Arnaldi 102, T. Aronsson 74, I.C. Arsene 78, A. Asryan 98, A. Augustinus 40, R. Averbeck 32, T.C. Awes 76,J.Äystö49, M.D. Azmi 2, S. Bablok 8, M. Bach 36, A. Badalà 24, Y.W. Baek 50, S. Bagnasco 102, R. Bailhache 32, R. Bala 101, A. Baldisseri 89, A. Baldit 26, J. Bán 58, R. Barbera 23, G.G. Barnaföldi 18, L. Barnby 12, V. Barret 26, J. Bartke 29, F. Barile 5, M. Basile 13, V. Basmanov 94, N. Bastid 26, B. Bathen 72, G. Batigne 75, B. Batyunya 35, C. Baumann 72, I.G. Bearden 28,B.Becker 20, I. Belikov 99,R.Bellwied 34, E. Belmont-Moreno 66, A. Belogianni 4, L. Benhabib 75, S. Beolé 101, I. Berceanu 17,... Dieses und alle weiteren Resultate im Internet!

92 Nach bisher 2 Jahren LHC

93 Der LHC läuft hervorragend! seit 2009: LHC fast durchgehend in Betrieb Kollisionen: Proton-Proton und Blei-Blei steil steigende Datenrate, übertrifft alle Erwartungen

94 Kollisionen...

95 Kollisionen...

96 Kollisionen...

97 Kollisionen!

98 Suche nach dem Higgs-Boson mit 95% Wahrscheinlichkeit kein Higgs-Boson im Bereich GeV

99 Suche nach Supersymmetrie Bereits große Parameterbereiche für einfache Modelle ausgeschlossen. (GeV) m 1/ "# = LSP LM6 q~ (1500)GeV q~ (1250)GeV q ~ (1000)GeV -1 CMS, 1.14 fb, 95% CL limits: s = 7 TeV Observed Limit (NLO), CL s Median Expected Limit ± 1 $ tan! = 10, A = 0 GeV, µ > 0 0 g ~ (1500)GeV g ~ (1250)GeV g ~ (1000)GeV q ~ (750)GeV g ~ (750)GeV Vollständige Suche dauert 200 q~ (500)GeV g ~ (500)GeV mehrere Jahre m 0 (GeV)

100 Mini-Schwarze Löcher? Bisher kein Anzeichen für schwarze Löcher! Events / 100 GeV N! 4 Data Background Uncertainty = 1.5 TeV, M M D M D M D = 2.0 TeV, M = 2.5 TeV, M min BH min BH min BH = 4.5 TeV, n = 6 = 4.0 TeV, n = 4 = 3.5 TeV, n = 2 b)! (pb) Theoretical Cross Section M D = 2.5 TeV, n = 2 M D = 2.0 TeV, n = 4 = 1.5 TeV, n = 6 M D Non-rotating Black Holes M D = 2.5 TeV, n = 2 M D = 2.0 TeV, n = 4 = 1.5 TeV, n = 6 M D CMS Preliminary -1 s = 7 TeV, 1.09 fb S T (GeV) CMS Preliminary -1 s = 7 TeV, 1.09 fb min M BH (TeV) Die Suche nach Extra-Dimensionen geht weiter...

101 Mini-Schwarze Löcher? Bisher kein Anzeichen für schwarze Löcher! Events / 100 GeV N! 4 Data Background Uncertainty = 1.5 TeV, M M D M D M D = 2.0 TeV, M = 2.5 TeV, M min BH min BH min BH = 4.5 TeV, n = 6 = 4.0 TeV, n = 4 = 3.5 TeV, n = 2 b)! (pb) Theoretical Cross Section M D = 2.5 TeV, n = 2 M D = 2.0 TeV, n = 4 = 1.5 TeV, n = 6 M D Non-rotating Black Holes M D = 2.5 TeV, n = 2 M D = 2.0 TeV, n = 4 = 1.5 TeV, n = 6 M D CMS Preliminary -1 s = 7 TeV, 1.09 fb S T (GeV) CMS Preliminary -1 s = 7 TeV, 1.09 fb min M BH (TeV) Die Suche nach Extra-Dimensionen geht weiter...

102 Wie geht es weiter am LHC? Betrieb bis Ende 2012 mit Energie von 7 TeV Pause des Betriebs und Vorbereitung auf Energie von 14 TeV 2014: Kollisionen bei 14 TeV

103 Blick in die Zukunft: FAIR bei GSI nächstes großes Beschleunigerprojekt nach dem LHC, Start geplant für 2018

104 Blick in die Zukunft: FAIR bei GSI derzeit größtes Projekt der Kern- und Teilchenphysik (1 Millarde Investitionen) kompakte Bauweise durch Ringbeschleuniger Speicherringtechnologie Hochtechnologie-Entwicklung effiziente, schnelle Teilchenbeschleuniger hochauflösende Magnetspektrometer empfindliche Licht- und Teilchendetektoren Hochvakuum-Technologie schnelle elektronische Datenerfassung energie-effiziente Computertechnologie

105 Blick in die Zukunft: FAIR bei GSI Grundlagenforschung Kern- und Teilchenphysik Astrophysik Atomphysik Plasmaphysik Angewandte Forschung Materialwissenschaften Biophysik, Medizin Weltraumforschung komplementär zum LHC

106 Danke für Ihr Interesse!