REISE ZUM URKNALL Fortsetzung von Vorlesung 1

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1 REISE ZUM URKNALL Fortsetzung von Vorlesung 1 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 DEN GESETZMÄßIGKEITEN : SCHAFFE IM LABOR ZUSTÄNDE WIE IN DEN ERSTEN ANFÄNGEN DES UNIVERSUMS

2 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): AUS ENERGIE WIRD EIN MATERIE-ANTIMATERIE PAAR Foto eines Mini-Urknalls 1981

3 DIE FUNDAMENTALEN NATURKRÄFTE Entdeckung am CERN 1984 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

4 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...

5 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!

6 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!

7 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

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

9 CERN UND SEINE NUTZER

10 III. DER LARGE HADRON COLLIDER Erste Ideen für den LHC Beginn mit konkreten Plänen für Detektoren Beginn der Teilnahme der Universität Karlsruhe Beginn der Konstruktion der Detektorelemente, Vorbereitung Datenanalyse Gründung des GridKa am FZK Beginn Zusammenbau des CMS-Detektors am CERN LHC - Detektoren betriebsbereit, Strahl lief herum Proton-Proton-Kollisionen LHCB Atlas CMS Alice

11 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!

12 BLICK IN DEN TUNNEL Betrieb bei einer Temperatur von C

13 BAU DES BESCHLEUNIGERS

14 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

15 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

16 EINBAU DER MYONKAMMERN IN DEN MAGNETEN

17 KUPFERKALORIMETER ENDKAPPE: SCHWERTER ZU PFLUGSCHAREN

18 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 18

19 KARLSRUHER BEITRÄGE

20 CF plates: Factory Brussels Kapton: Factory Aachen, Bari FE-APV: Factory IC,RAL Control ASICS: Factory Company (QA) CF cutting Factory CF cutting Factory Frames: Brussels,Pisa, Pakistan Sensors: Factories Hybrids: Factory-Strasbourg CERN Pitch adapter: Factories Brussels Sensor QAC Pisa Perugia Wien Karlsruhe Louvain Strasbourg Firenze Module assembly FNAL UCSB Perugia Bari Wien Lyon Brussels Bonding & testing FNAL UCSB Padova Pisa Torino Bari Firenze Wien Zurich Strasbourg Karlsruhe Aachen HH Integration into mechanics ROD INTEGRATION FNAL UCSB TIB-TID INTEGRATION Florence Pisa Torino Louvain Brussels PETALS INTEGRATION Lyon Hamburg Strasbourg Aachen Karlsruhe Sub-assemblies TOB assembly TIB/TID assembly TEC assembly TEC assembly CERN Pisa Aachen TK ASSEMBLY CERN TIF Move to Pit and Insert

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

22 im Bau Jan Jan 1999

23 DIE UNTERIRDISCHE KAVERNE

24 FEUERLÖSCHTEST

25 ENDMONTAGE Absenken einer Endkappe Jan t Kran

26 EINBAU DES SPURDETEKTORS Dez. 2007

27 MILLIONEN VON KABELN!

28 DATENMENGEN AM LHC Am CERN wurde das World-Wide Web erfunden. Das Grid ist eine Weiterentwicklung 40 M Hz ; 10 9 Ere igni s se/s ; 10 Onl Mio inekan D Dat äle ens atenre d p => 100 eich ukti 1P o Hz erun n eta g ~1P Byt e/s et a (1,4 M Byt illio e/jah nen r CD ) LÖSUNG: DAS GRID KIT: GridKa (Tier 1) CampusGrid (Tier 2-3)

29 ERSTE KOLLISIONSEREIGNISSE VOM LHC NOV. 09

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31 Reconstructed primary vertices Beam profile K-Shorts

32 Besuch am CERN

33 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

34 AUSBLICK 25 Jahre nach der ersten Idee vom Large Hadron Collider haben wir begonnen 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 Film: Das Karlsruher Team Simulation eines Higgsbosonereignisses

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36 Die Experimentelle Teilchenphysik findet in Karlsruhe im Rahmen des Zentrums KCETA statt, das alle Aktivitäten der theoretischen und experimentellen Elementarteilchenphysik und Astroteilchenphysik umfasst und vernetzt:

37 UMSERE FORSCHUNG AM KCETA

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