Erzeugung Beschleunigung Ablenkung Kollision. Magnetfeld

Transkript

1 BESCHLEUNIGER: Mikroskope der Quantenwelt Hebbeker Thomas Berlin Humboldt-Universitat Urania

2 UBERSICHT Was macht ein Teilchenbeschleuniger? Wozu benutzt man Beschleuniger? Wie funktionieren Beschleuniger? Wie weist man die Teilchen nach? Die Beschleunigerzentren CERN und DESY

3 Fernsehapparat = Teilchenbeschleuniger Erzeugung Beschleunigung Ablenkung Kollision Glühkathode Anode Glass evakuiert Elektron Photonen Elektrisches Feld V Magnetfeld

4 , Proton p, Elektron e,, Quark q, Photon ::: Neutrino, Antiproton p, Positron e +, Antiquark q, Photon ::: Antineutrino werden konnen geladene stabile Teilchen: Beschleunigt p, Elektron e,, Antiproton p, Positron e +, schwere Kerne Proton immer ein anderer :::! Wahrscheinlichkeitskeitsverteilungen macht ein Teilchenbeschleuniger? Was Elementarteilchen Quelle Elementarteilchen Beschleuniger Kollision 1) Was ist ein (Elementar-)Teilchen? 2) Man wiederholt das Experiment sehr haug! Warum? Quantentheorie! Selbst bei gleichen Anfangsbedingungen ist der Endzustand

5 Kristall Molekuel Atom Atom- Kern Elementarteilchen Hadronen Mesonen Baryonen Leptonen e, µ, τ, νe, νµ, ντ punktfoermig Kerne Proton Neutron Quarks u,c,d,s,b,t cm 10 cm 10 cm 10 cm (Woher wissen wir dies? aus Beschleunigerexperimenten ::: )

6 5 5 LEP: e + e,! ::: Run : even t 4093 : 1042 Date T ime Ctrk(N= 2 Sump= 91.4) Ecal (N= 8 SumE= 5.0) Hcal (N= 4 SumE= 6.9) Ebeam Evis Emiss -9.6 Vtx ( -0.05, 0.08, 0.36) Muon(N= 2) Sec Vtx(N= 0) Fdet(N= 1 SumE= 0.0) Bz= Thrus t = Ap l an= Ob l a t = Spher= Y Z X 200. cm GeV n t re o f sc reen i s ( , , ) Run : even t 4093 : 1000 Date T ime Ctrk(N= 39 Sump= 73.3) Ecal (N= 25 SumE= 32.6) Hcal (N=22 SumE= 22.6) Ebeam Evis 99.9 Emiss -8.6 Vtx ( -0.07, 0.06, -0.80) Muon(N= 0) Sec Vtx(N= 3) Fdet(N= 0 SumE= 0.0) Bz= Thrus t = Ap l an= Ob l a t = Spher= Y Z X 200. cm GeV n t re o f sc reen i s ( , , ) Run : even t 3223 : 7994 Date T ime Ctrk(N= 4 Sump= 91.9) Ecal (N= 6 SumE= 4.0) Hcal (N= 4 SumE= 4.3) Ebeam Evis 96.2 Emiss -4.9 Vtx ( 0.02, 0.06, 0.44) Muon(N= 11) Sec Vtx(N= 0) Fdet(N= 0 SumE= 0.0) Bz= Thrus t = Ap l an= Ob l a t= Spher= Y Z X 200. cm GeV Cen t re o f sc reen i s ( , , ) Run : even t 2542 : Date T ime Ctrk(N= 28 Sump= 42.1) Ecal (N= 42 SumE= 59.8) Hcal (N= 8 SumE= 12.7) Ebeam Evis 86.2 Emiss 5.0 Vtx ( -0.05, 0.12, -0.90) Muon(N= 1) Sec Vtx(N= 0) Fdet(N= 2 SumE= 0.0) Bz= Thrus t = Ap l an= Ob l a t= Spher= Y Z X 200. cm GeV Cen t re o f sc reen i s ( , , ) Run : even t 1922 : Date T ime Ctrk(N= 75 Sump= 56.6) Ecal (N= 75 SumE= 65.8) Hcal (N=23 SumE= 11.5) Ebeam Evis Emiss Vtx ( -0.03, 0.08, -0.49) Muon(N= 1) Sec Vtx(N= 8) Fdet(N= 0 SumE= 0.0) Bz= Thrus t= Ap l an= Ob l a t = Spher= Y Z X 200. cm GeV Cen t re o f sc reen i s ( , , ) Run : even t 4055 : Date T ime Ctrk(N= 17 Sump= 34.2) Ecal (N= 20 SumE= 65.8) Hcal (N=11 SumE= 7.7) Ebeam Evis 96.8 Emiss -5.5 Vtx ( -0.03, 0.09, -0.56) Muon(N= 2) Sec Vtx(N= 1) Fdet(N= 0 SumE= 0.0) Bz= Thrus t= Ap l an= Ob l a t = Spher= Y Z X 200. cm GeV Cen t re o f sc reen i s ( , , )

7 Einsteins Relativitatstheorie: E = m c 2 Ruhendes Teilchen mit Masse m hat die Energie E! Masseneinheit = GeV=c 2 Beispiel Proton: m = 1:7 10,27 kg 1 GeV=c 2 Energie-Einheit `Elektronenvolt': = kinetische Energie eines 1eV e, nach Durchiegen Elektrons + E + 1 V Energien und Massen einer Spannung von 1Volt. Meist benutzt man Giga-eV: - e- - 1 GeV = 10 9 ev 10,10 J Energie und Masse: c = km=s = Lichtgeschwindigkeit Energie kann in Masse verwandelt werden und umgekehrt!

8 Wozu benutzt man Beschleuniger? 1) Studium von Teilchen und Kraften bei hohen Energien a) Hohe kinetische Energien entsprechen hohen Temperaturen: T = 1 k E! Universum kurz nach dem `Big Bang'! 100 GeV $ o C $ 10,11 s b) Neue sehr schwere=massive Teilchen konnen erzeugt werden: m = E c 2 Schwerstes bisher gefundenes Teilchen: Top-Quark m(top) = 175 GeV=c 2 = 180 m(p roton)! Bausteine und Krafte der Natur

9 h c 1 E! Beschleuniger = Super-Mikroskop fur Elementarteilchen Wozu benutzt man Beschleuniger? 2) Auosung sehr kleiner Strukturen λ λ Teilchen haben Welleneigenschaften! Unscharferelation Raumliche Auosung = Wellenlange Je kleiner die Strukturen, desto groer der Beschleuniger! GeV! 10,18 m = Protondurchmesser 100

10 Quelle Auosung kleiner Strukturen Objekt Prinzip: Streuung liefert Information uber Objekt Teilchen Detektor Beispiele `Teilchen' Quelle Detektor Wellenlange Energie Fledermaus- Fledermaus- 1cm Schallwellen Ohr Kehlkopf Sonne Auge 1 m 1eV Photonen (Licht) Elektronen Elektronen- mikroskop 10,12 m ev Teilchen- Teilchen- 10,18 m 100 GeV Elektronen detektor beschleuniger

11 Wie beschleunigt man geladene Teilchen? F Anode E Nordpol B Elektrisches Feld Magnetisches Feld e- e- v F Kathode Suedpol Kraft ~ F = q ~ E Kraft ~ F = q ~v ~ B Kraft beschleunigt oder lenkt ab. Kraft lenkt (stark) ab.

12 ! Hohe Energien erfordern (mehrere km) groe Beschleuniger! Ziel: Beschleunigung auf hohe Energien (> 100 GeV) e E Wie funktionieren Teilchenbeschleuniger? Prinzip: Durchlaufen eines elektrischen Feldes! man benotigt > Volt! Aber: nicht: Funken, Durchschlage funktioniert - + Ausweg: hauges Durchlaufen einer `kleinen' Spannung (< Volt=Meter). Linearbeschleuniger E E E E E E E E E E E E E E B B B B B E B B B B B B B B B B B B Optionen: Kreisbeschleuniger starke Magnete zur Ablenkung!

13 Prinzip des Linearbeschleunigers

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15 Teilchen werden auf ruhende Materie geschossen Zwei Beschleuniger schieen Teilchen aufeinander Teilchenkollisionen Drei Moglichkeiten: e - e + Hohe Kollisionsenergie! EIN Ring mit entgegenlaufenden und Antiteilchen Teilchen e + e - Hohe Kollisionsenergie! Elegant!

16 (Hamburg) DESY = `Deutsches Elektronen- SYnchrotron' (GENF) CERN = `European laboratory for physics' particle Groe Teilchenbeschleuniger-Zentren in Europa

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19 Die groten Beschleuniger bei CERN und DESY CERN 6000 Physiker/innen SPS = Super-Protonen-Synchrotron { (+ Antiprotonen), 500 GeV Protonen der Teilchen W und Z ::: Entdeckung LEP = Large Electron Positron Collider { + Positronen, je 100 GeV Elektronen an Z und W ::: Prazisionsmessungen IM BAU: LHC = Large Hadron Collider { + Protonen, je 7000 GeV Protonen nach neuen Teilchen (Higgs, ::: ) ::: Suche DESY 3000 Physiker/innen HERA = Hadron-Elektron-RingAnlage { 900 GeV + Elektronen/Positronen 30 GeV Protonen des Protons ::: Struktur GEPLANT: TESLA =Tev-Energie Supraleitender LineArbeschleuniger { + Positronen, je 500 GeV Elektronen Prazisionsmessungen am Higgs :::

20 Man benotigt: Groen Tunnel! Teilchenquellen Elektron, Proton, Antiproton, Positron evakuiertes Strahlrohr Teilchen nicht mit damit Luftmolekulen zusammenstoen Beschleunigungselemente Wie baut man groe Beschleuniger? Ablenk- und Fokussierungsmagnete Kreisbahn, Injektion, Auslenkung ::: Ablenkung: Fokussierung: Bundelung der Teilchenpakete Uberwachung und Steuerung

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24 27 km Umfang 300 supraleitende Beschleunigungsstrecken 3000 Dipolmagnete je 6m von Lange 800 Quadrupolmagnete groe 4 Detektoren LEP = Large Electron Positron collider

25 m c 2! Beschleuniger testen die Relativitatstheorie Beschleuniger und Relativitatstheorie Elektron mit E kin = 100 GeV: Mechanik: `Klassische' kin = 1 2 m v2 E 600 c v 200 Millionen km=s v/c klassische Mechanik 1 2 =c 2, 1 1,v 1 Relativitaetstheorie Relativitatstheorie: v 0: c E kin / m c 2 E kin = p 300 Tausend km=s

26 Elektronen in LEP: 1) Injektion: E = 20 GeV t 15 min spater: 2) E = 100 GeV Beschleunigung: Fast null! (Auto: 3m=s 2 ) Beschleunigt ein Beschleuniger? v = :902 m=s v = :996 m=s a = 0:0001 m=s 2! Es kommt auf die Energie an, nicht auf Geschwindigkeit/Beschleunigung!

27 Spurdetektoren Teilchen werden im Magnetfeld Geladene und ionisieren Gas. abgelenkt Signale ermoglichen Elektrische Kalorimeter werden in Materie gestoppt. Teilchen entsteht u.a. Licht, Dabei man nachweist. das Teilchendetektoren weisen die bei einer Kollision entstehenden Teilchen nach. Gemessen werden Energie/Impuls, Ladung, Flugrichtung :::. Gas Draehte mit Hochspannung B Spurrekonstruktion und Impulsmssung Licht Genaue Messungen erfordern groe Detektoren!

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30 `Spino' der Beschleunigerzentren Beschleuniger in der Medizin, Biologie ::: Rontgenrohre! Synchrotronstrahlung:! am DESY, BESSY in Berlin ::: HASYLAB Supraleitung und Kaltetechnik HERA: grote Heliumverussigungsanlage Europas! Vakuumtechnik 10,14 bar! Elektronik und Computer Datenproduktion LHC-Detektor: bit=s > weltweiter Telefonverkehr!! WWW wurde am CERN erfunden Internationale Kooperation

31 Zusammenfassung Aufgabe von Teilchenbeschleunigern: was die Welt im Innersten zusammenhalt" \Verstehen! Supermikroskope der Quantenwelt Funktionsweise von Teilchenbeschleunigern: Krafte beschleunigen geladene Teilchen Elektrische hohe Energie erfordert groe Beschleuniger!! Relativitatstheorie!! DESY und CERN: Forschungszentren mit Grobeschleunigern: LEP, HERA, ::: europaische Resultate: von W und Z, Struktur des Protons ::: Entdeckungen Zukunft: Entdeckung des Higgs-Teilchens? Uberrraschungen? BITTE BESUCHEN SIE DIE AUSSTELLUNG!