Der Large Hadron Collider (LHC) und ein. Elektron-Positron-Linearbeschleuniger

Transkript

1 1 Die großen Zukunftsprojekte: Der Large Hadron Collider (LHC) und ein Elektron-Positron-Linearbeschleuniger Prof. Dr. G. Quast Institut für experimentelle Kernphysik Universität Karlsruhe (TH)

2 2 Ursprung der Massen der Elementarteilchen? Vereinigung aller fundamentalen Kräfte in einer Universalwechselwirkung? Unbekannte Formen von Materie? z.b. supersymmetrische Materie dunkle Materie Natur der dunklen Energie? Verborgene räumliche Dimensionen?

3 3 1. Large Hadron Collider (LHC) am CERN (ab 2007) die Entdeckungsmaschine 2. Elektron-Positron- Linearbeschleuniger die Präzisionsmaschine Bis dahin: - Tevatron am FNAL - Hera II am DESY - B-Fabriken am SLAC und bei KEK - Neutrino-Strahlen am KEK, Fermilab u. CERN im Bau - einige kleinere Beschleunigeranlagen für spezielle Fragestellungen

4 4 Proton-Proton-Beschleuniger im LEP- Tunnel am CERN 14 TeV pro Kollision, d.h Bedingungen wie zu Zeiten s nach dem Urknall Vier geplante Experimente: ATLAS (pp-physik) ALICE (Pb-Pb-Kollisionen) CMS (pp-physik) LHC-B (Physik der b-quarks)

5 Proton-Proton-Pakete ( bunches ) Protonen/Paket Proton-Energie: 7 TeV Kreuzungsrate der p-pakete: 40 Mhz bis zu 10 9 pp-stöße/sec Luminosität: cm -2 s -1 Design, cm -2 s -1 anfänglich 23 Ereignisse im Detektor überlagert ~1600 geladene Teilchen im Detektor Hohe Teilchendichten sind eine Herausforderung für die Detektoren

6 6 Supraleitende Magnete halten die Protonen auf der Kreisbahn größte Herausforderung: Magnetfeld von 9 Tesla insgesamt 1300 Stück, 15 m lang Betrieb bei einer Temperatur von 1.9 K 8 Supraleitende Beschleunigerstrukturen Beschleunigungsfeld von 5 MV/m Tests einer vollen LHC-Zelle erfolgreich durchgeführt! LHC als größte supraleitende Anlage ist Herausforderung für die Kryo-Technik!

7 7 Proton Proton

8 Zwiebelschalenstruktur eines Detektors 8

9 Teilchenspuren im Detektor 9 Selektive Rekonstruktion Manchmal gibt es ein paar interessante... z.b. Higgs: eines in Kollisionen Tausende von Teilchenspuren in jedem Ereignis Interessante Physik passiert sehr selten, Analyse bedeutet Suche nach der Nadel im Heuhaufen! Herausforderung für Detektorbau, Experimentiertechnik und Datenanalyse!

10 " ) 2 4 < H F P Y 10 Detektoren haben einige 10 7 Kanäle LHC Kollisionsrate: 40 MHz bit/kanal!#"%$ &(' ~1000 Tbyte/s Rohdatenrate! /10 (Wenn 6 Milliarden Menschen gleichzeitig telefonieren, sind das (nur) 50 TB/sec ) *, :; =?> BDC?E <A@ GIH7J 40 MHz (1000 TB/sec) TB/sec) äquivalent äquivalent KML NO QSR Nullunterdrückung und Trigger reduzieren Datenrate auf VDW7X PUT 100 Hz (100 MB/sec MB/sec 75 Khz (75 GB/sec G komplett komplett digitalisiert) digitalisiert) 5 Khz (5 GB/sec) GB/sec) Dieser Datenstrom muss weltweit verteilt werden!

11 Teilchenphysik ist international Institute in Europa, 4600 Benutzer 208 Institute anderswo, 1600Benutzer Karlsruhe

12 ! 12 Datenanalyse auf einem virtuellen Supercomputer...

13 13 E Einiges ist bereits Realität...

14 14 H H H Z Z 4µ nach 1 Jahr LHC (Diplomarbeit J.Weng) Higgs-Suche im ersten Jahr von LHC ist Statistik kleiner Zahlen Wenn das Higgs existiert, wird es am LHC gefunden werden!

15 15 TESLA (in Hamburg?) Alternative Strategie: Präzisionsmessungen statt höchstmöglicher Energie e+e- Collider ideal für genaueste Messungen: Punktförmige Teilchen Nur elektroschwache Wechselwirkung im Anfangszustand Schwerpunktsenergie genau einstellbar Vollständige Ereignisrekonstruktion

16 16 Präzises Studium der Brechung der elektroschwachen Symmetrie (Higgs-Mechanismus) und der Phänomene im Bereich < 1 TeV Blick in 1-10 TeV Bereich und zu den höchsten Energien * Vereinigung der Kräfte * Gravitation Energie: mindestens 2 M top bis 400 GeV, ausbaubar bis 1000 GeV Luminosität: Reaktionsraten typisch 1/E cm 2 => benötigt tausendfache LEP-Luminosität! Variable Schwerpunktsenergie Das Tesla-Konzept: supraleitender Linearbeschleuniger Gesamtlänge entspricht der des LEP-Tunnels

17 17 Auch wenn ein Higgs am LHC gefunden wird, bleiben Fragen: Ist es das SM-Higgs? Ist es verantwortlich für Masse? Ist spontante Symmetriebrechung die Ursache? Messung der Higgs-Kopplungen an alle Teilchen und an sich selbst! Präzise Spektroskopie aller SuSy-Teilchen bis 1TeV Masse Higgs- Ereignis im Linear-Collider-Detector Energieabhängigkeit der Kopplungskonstanten: der Weg zur Großen Vereinheitlichung Effekte von Quantengravitation, d.h. Graviton-Abstrahlung, wenn es große extra Raumdimensionen gibt

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20 20 Broschüre der deutschen Teilchenphysiker zu Stand und Zukunft des Gebiets Nov