LHC: Die größte Maschine der Welt

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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

5

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

9

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 Ungelöste 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

15 15

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

21 21

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

24 24

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

34 34

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 42

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