DER LARGE HADRON COLLIDER AM CERN: DEM URKNALL AUF DER SPUR

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1 DER LARGE HADRON COLLIDER AM CERN: DEM URKNALL AUF DER SPUR "Die Natur liebt sich zu verbergen" Heraklit, 500 v. Chr. ZWEI FUNDAMENTALE FRAGEN : WIE IST DAS UNIVERSUM ENTSTANDEN? WORAUS BESTEHT DIE MATERIE MIT IHREN KRÄFTEN? BEIDE FRAGEN SIND MITEINANDER VERKNÜPFT : VERSTÄNDNIS VON DER STRUKTUR DER MATERIE UND IHRER KRÄFTE BESSERES WISSEN ÜBER IHREN URSPRUNG FÜR DIE SUCHE NACH DIESEM VERSTÄNDNIS : SCHAFFE IM LABOR ZUSTÄNDE WIE IN DEN ERSTEN ANFÄNGEN DES UNIVERSUMS

2 I. ZUR ENTSTEHUNG DES UNIVERSUMS DAS UNIVERSUM IST VOR 13,7 MILLIARDEN JAHREN IN EINEM URKNALL ENTSTANDEN ("BIG BANG")

3 DIE ABKÜHLUNG DES UNIVERSUMS Radius 10-3 m m m Large Hadron Collider

4 REICHWEITE UNSERER INSTRUMENTE m = m m 10 7 m 10 1 m Teleskop Fernrohr Auge 10-4 m 10-8 m m Mikroskop Elektronenmikroskop Teilchenbeschleuniger m = m

5 WEGE ZUM VERSTÄNDNIS VOM URKNALL Was sind die kleinsten Teilchen (woraus besteht die Materie)? Brauche stärkstes Mikroskop der Welt! Welche Teilchen und Kräfte gibt es bzw. gab es im frühen Universum (was sind die schwersten Bausteine der Natur)? Brauche die höchsten Energien und Kollisionsraten, um sie zu erzeugen! Moderne Teilchenbeschleuniger Wie kann man die Teilchen beobachten? Moderne Detektoren

6 I. DIE INSTRUMENTE DER TEILCHENPHYSIK PRINZIP EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS: DIE BRAUNSCHE RÖHRE - + U Beschleunigungsspannung U = 1Volt Beschleunigungsspannung U = 1000Volt MODERNE ANFORDERUNGEN: kinetische Energie = 1eV kinetische Energie = 1keV ev = 1 TeV

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8 INTERNATIONALE BESCHLEUNIGERLABORS Karlsruher Beteiligung

9 FUNKTION VON TEILCHENDETEKTOREN Elektron Hadron-Jet Das CDF-Experiment am Fermilab

10 II. AUFBAU DER MATERIE UND IHRER KRÄFTE Winkelverteilung der Projektile nach der Streuung: HINWEIS AUF INNERE STRUKTUREN

11 ERKENNTNISSE ZUM AUFBAU DER MATERIE: Aufbau eines Protons d u u Valenzquarks 2 fm Tevatron, Quarks AUFBAU DES PROTONS; LEPTONEN, QUARKS PUNKTFÖRMIG: R < m

12 PROTONEN SIND x KLEINER ALS ATOME (1911) Atomkern : Atomhülle = Knopf : Innenstadt Karlsruhe QUARKS, LEPTONEN SIND MIND x KLEINER ALS PROTONEN (1998) Quark : Atomhülle < Knopf : Erde (Quark : Stecknadelkopf < Stecknadelkopf : Sonnensystem, usw)

13 BAUSTEINE DER MATERIE DIE SICHTBARE WELT BESTEHT AUS QUARKS UND LEPTONEN DER ERSTEN GENERATION: u, d, e -

14 DIE FUNDAMENTALEN KRÄFTE ALLGEMEIN: KRÄFTE ENTSTEHEN DURCH AUSTAUSCH VON BOSONEN SCHEMATISCHE BESCHREIBUNG DURCH FEYNMANDIAGRAMME

15 Gravitation Stärke : Anziehung von Massen Reichweite: unendlich Schwache Wechselwirkung Stärke : 1/ Bewirkt den radioaktiven Zerfall Reichweite: sehr klein! Elektromagnetische Wechselwirkung Stärke : 1/100 Gleiche Ladungen stossen sich ab, Reichweite: unendlich ungleiche ziehen sich an Starke Wechselwirkung Stärke : 1 Anziehende Kraft zwischen den Quarks Reichweite: ~10-15 m

16 DIE SUCHE NACH DEN SCHWERSTEN TEILCHEN IN DEN ERSTEN MILLIARDSTEL SEKUNDEN DES UNIVERSUMS GAB ES OBJEKTE, DIE HEUTE LÄNGST ZERFALLEN SIND DIESE KÖNNEN AN TEILCHENBESCHLEUNIGERN IN KLEINEN "URKNALLEN" AUS ENERGIE ERZEUGT WERDEN, z.b.: Top-Quarks (Entdeckung 1995): t t ANWENDUNG: E = mc 2 (Albert Einstein) Foto eines Mini-Urknalls 1981

17 ZWISCHENBILANZ UNSER HEUTIGES WELTBILD KENNT 12 FUNDAMENTALE MATERIETEILCHEN: QUARKS UND LEPTONEN 4 FUNDAMENTALE KRÄFTE Die Teilchen sind höchstens m groß. Ob sie zusammengesetzt sind, ist nicht bekannt. Ich halte es für nicht naheliegend. OFFENE FRAGEN: WIE BEKOMMEN TEILCHEN IHRE MASSE? WIESO GIBT ES NUR MATERIE IM HEUTIGEN UNIVERSUM? WIE ERKLÄRT SICH DIE VIELFALT DER TEILCHEN UND KRÄFTE? UND...

18 1. ÜBERRASCHUNG IM UNIVERSUM: DUNKLE MATERIE Sonnensystem Galaxie NGC6503 v ~ 1/ r Im Sonnensystem: Gültigkeit von Keplers Gesetzen! In Galaxien und Galaxienhaufen: Neue Form nicht-sichtbarer Masse!

19 2. ÜBERRASCHUNG IM UNIVERSUM: DUNKLE ENERGIE Das Universum dehnt sich immer schneller aus! Die uns vertraute Materie macht nur 4,5 % der Gesamtmasse des Universums aus! Der Rest ist dunkel!

20 DUNKLE MATERIE: SUPERSYMMETRISCHE TEILCHEN? Unsere Welt Supersymmetrische Schattenwelt Wenn es diese Teilchen gibt, müssen sie sehr schwer sein! Deren leichtestes würde die Dunkle Materie bilden. Die derzeitigen Beschleuniger sind zu schwach, es zu erzeugen

21 Zur Klärung dieser Fragen: deutlicher Leistungssprung der Beschleuniger nötig! LHC: Energie 7 X Rate 100 X mehr als Tevatron!

22 III. DER LARGE HADRON COLLIDER 1984 Erste Ideen für den LHC 1988 Beginn mit konkreten Plänen für Detektoren 1995 Beginn der Teilnahme der Universität Karlsruhe 2000 Beginn der Konstruktion der Detektorelemente, Vorbereitung Datenanalyse Gründung des GridKa am FZK 2005 Beginn Zusammenbau des CMS-Detektors am CERN 2008 LHC - Detektoren betriebsbereit, Strahl lief herum 2009 Proton-Proton-Kollisionen LHCB Atlas CMS Alice Beteiligung aus Baden-Württemberg ALICE: Uni Heidelberg ATLAS: Uni Freiburg, Uni Heidelberg CMS: Uni Karlsruhe (TH)/KIT LHCB: Uni/MPI Heidelberg

23 CERN UND SEINE NUTZER

24 ZEITPLÄNE DES LHC-PROJEKTES 1984 Workshop zu einem großen Hadron Collider im LEP-Tunnel 1988 Beginn mit konkreten Plänen für Detektoren 1993 Letters of Intent (ATLAS und CMS wurden ausgewählt) 1995 Beginn der Teilnahme der Universität Karlsruhe 2000 Beginn der Konstruktion der Detektorelemente, Vorbereitung Datenanalyse Gründung des GridKa 2005 Beginn Zusammenbau des CMS-Detektors am CERN 2008 LHC - Detektoren betriebsbereit, Strahl lief herum 2009 Proton-Proton-Kollisionen Beginn von F/E-Arbeiten für den Super LHC in Karlsruhe Die Karlsruher CMS-Gruppe 2008 (IEKP): 4 Professoren, 1 Privatdozent, 4 leitende Wissenschaftler, 8 Postdocs, 26 Doktoranden, 10 Diplomanden, 3 Gruppentechniker und Personal der EKP- Werkstätten.

25 SCHEMA DES LHC Proton-Proton-Kollisionen bei 14 TeV Schwerpunktsenergie Kollisionsraten bis 10 9 / s Umfang 27 km 100 m 9 km Die Strahlen haben die Energie eines ICE in voller Fahrt!

26 BLICK IN DEN TUNNEL Betrieb bei einer Temperatur von C

27 BAU DES BESCHLEUNIGERS

28 IV. DER CMS-DETEKTOR AM LHC Bau der Einzelteile an teilnehmenden Instituten, Zusammenbau am CERN Siliziumspurdetektor CMS-Detektor: 25m lang, 16m Höhe Tonnen Nettokosten 550 MSFr Strahlmonitor CMS-Kollaboration: Computing Software / Datenanalyse 2310 Wissenschaftler 38 Staaten 175 Institute IEKP Karlsruhe: 55

29 BAU DES MAGNETEN Einschub der inneren Kryostatwand Bau des Eisenjochs in der DWE-Werft GRÖßTER SUPRALEITENDER MAGNET DER WELT: 4T ( mal Erdmagnetfeld) 13m lang, 6m Durchmesser

30 EINBAU DER MYONKAMMERN IN DEN MAGNETEN

31 KUPFERKALORIMETER ENDKAPPE: SCHWERTER ZU PFLUGSCHAREN

32 DER SPURDETEKTOR Der weltgrößte Siliziumdetektor: 206 m² (Streifen) + 1 m 2 (Pixel) Siliziumsensoren 10Mio Streifen Auslesechips Bonds Optische Analogverbindungen km Optische Fibern Strahlenbelastung: n eq /cm 2 Betrieb bei 10 0 C 5.8 m 2.5 m Karlsruhe: signifikanter Anteil am Tracker 32

33 KARLSRUHER BEITRÄGE

34 DIE CMS - KOLLISONSZONE Auf dem Papier CMS-Montagehalle Kollisionshalle LHC-Tunnel CMS-Halle

35 im Bau Jan Jan 1999

36 DIE UNTERIRDISCHE KAVERNE

37 FEUERLÖSCHTEST

38 ENDMONTAGE Absenken einer Endkappe Jan t Kran

39 EINBAU DES SPURDETEKTORS Dez. 2007

40 Millionen von Kabeln!

41 DATENMENGEN AM LHC Am CERN wurde das World-Wide Web erfunden. Das Grid ist eine Weiterentwicklung 40 MHz ; 10 9 Ereignisse/s ; 10 Mio Kanäle => 1 PetaByte/s Online-Datenreduktion Datenspeicherung 100 Hz ~1PetaByte/Jahr (1,4 Millionen CD) LÖSUNG: DAS GRID KIT: GridKa (Tier 1) CampusGrid (Tier 2-3)

42 ERSTE SPUREN VOM LHC IM DETEKTOR SEPT. 08

43 Besuch am CERN

44 VORSTOß INS DUNKLE UNIVERSUM Es besteht die Möglichkeit, Dunkle Materie am LHC zu erzeugen Heute bekannt Genaue Kenntnisse vom Higgs-Teilchen: Verständnis von der Dunklen Energie

45 AUSBLICK 24 Jahre nach der ersten Idee vom Large Hadron Collider sind wir (fast) startbereit Beschleuniger und Detektoren sind die kompliziertesten Geräte der Menschheit Wir stehen vor einem sehr großen Erkenntnissprung Unser ausdrücklicher Dank gebührt dem KIT und den Fördereinrichtungen, vor allem aber dem BMBF. Diese Forschung kann nur gelingen, wenn Forscher und Förderer extreme Ausdauer besitzen. Gegenwert unserer Forschung: 1. Erkenntnis 2. Anschub und Erfindungen 3. Ausbildung Das Karlsruher Team Simulation eines Higgsbosonereignisses

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48 CERN UND SEINE NUTZER Gegründet 1954 als eines der ersten Europäischen Projekte

49 SCHWARZE LÖCHER