Astroteilchenphysik. Teilchenphysik seine Teilchen. Der Urknall. September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 1
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- Florian Schmitt
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1 Der Urknall und seine Teilchen Kosmologie Astroteilchenphysik Teilchenphysik seine Teilchen Der Urknall September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 1
2 Die elementaren Bausteine der Materie und deren Wechselwirkungen September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 2
3 September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 3
4 GRÖSSENVERHÄLTNISSE PROTONEN SIND x KLEINER ALS ATOME (1911) Atomkern : Atomhülle = Knopf : Innenstadt QUARKS, LEPTONEN SIND MIND x KLEINER ALS PROTONEN (1998) Quark : Atomhülle < Knopf : Erde September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 4
5 Das Standard Modell der Teilchenphysik M W,M Z M τ M µ STABIL M e M ν September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 5
6 Austauschteilchen zur Übermittlung der Kräfte September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 6
7 Warum Quarks nicht als freie Teilchen existieren Elektrische Kraft Dichte der elektrischen Feldlinien 1/r 2 Photonen ungeladen keine Selbstkopplung EÜ*+üpmc2 E=mc 2 Starke Kraft Dichte der Farbfeldlinien 1/r 2 +r durch Gluonselbstkopplung (Gluonen bilden Strings ) Teilchen bilden sich entlang strings, wenn es energetisch günstiger ist, potentielle Energie in Masse umzuwandeln Jets von Teilchen entlang ursprüngliche Quark-Richtung September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 7
8 Warum keine Antimaterie im Universum? All particles Stable particles Matter particles t=10-38 s t=10-4 s t=10-3 s Im At Urknall Big Bang werden all particles alle Teilchen and antiparticles produziert created. (genügend Then Energie). heavy ones Die decay. schwere Teilchen If matter- zerfallen antimatter in leichtere particles und cannot die vernichten be created sich anymore, mit ihren they Antiteilchen annihilate in Photonen. into photons, Daher yielding n n γ /n B = A small excess of baryons is left. γ /n B =10 10 und nur wenige stabile Teilchen übrig. September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 8
9 The structure of the Proton Proton is not, in fact, simply made from three quarks (uud) There are actually 3 valence quarks (uud) + a sea of gluons and short-lived quark-antiquark pairs Explains why pp instead of antiproton Add z0 stories September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 9
10 Fundamentale Fragen der Teilchenphysik September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 10
11 SUPERSYMMETRIE Symmetrie zwischen Fermionen Bosonen (Materie) (Kraftteilchen) Teilchenmassen GeV! September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 11
12 Gauge Coupling Unification in SUSY September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 12
13 Running Coupling Constants September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 13
14 Running of Strong Coupling Constant September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 14
15 Das Higgs Feld How do particles get their inertia? THE CELEBRITY AT PARTY MODEL (quarks or leptons) THE rumour model (Higgs particle) Particle Mass determined by strength of interaction with higgs field SUCHE nach dem Higgs Boson wichtige Aufgabe für LHC September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 15
16 Search for the Higgs field Higgs field particle decays into lepton (or quark) pairs according to their mass Only 1 higgs in 1,000,000,000,000 events September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 16
17 Puzzle View along beam line of the inner tracking, with a HÆ 4µ event superimposed. The µ are very high energy, so leave straight tracks originating from the centre and travelling to the outside September, 2004 Fi nd 4 s traight t rac ks. CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 17
18 Puzzle solution Make a cut on the Transverse momentum Of the tracks: p T >2 GeV September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 18
19 CMS Collaboration (Nov. 2003) 2008 scientists and engineers 160 institutes 36 countries September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 19
20 Transverse slice through CMS detector Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press escape to exit September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 20
21 The Tracker Pixel endcap disks 214m 2 of silicon sensors 11.4 million silicon strips 65.9 million pixels in final configuration! September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 21
22 The CMS Construction Site at Cessy PM54 PX VG SX He gas tanks Safety helmets September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 22
23 Temperatur Entwicklung des Universums September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 23
24 Energieinhalt des Universums Nur Atome gut Verstanden, d.h. 96% der Energie des Universums völlig unbekannt! Dark Energy sind Quantenfluktuationen? WIMP=Weakly Interacting Massive Particle Cold Dark Matter sind Supersymmetrische Partner der Photonen? Evidenz der CDM: Rotationskurven der Galaxien und Überschuss and Photonen durch Selfannihilation der WIMPS September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 24
25 Evidenz der DM aus Rotationskurven Solar System Spiral Galaxies September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 25
26 Repulsive Gravity September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 26
27 Hubble const. determines WIMP annihilation x-section Thermal equilibrium abundance Jungmann,Kamionkowski, Griest, PR 1995 Comoving number density Actual abundance T=M/25 x=m/t Boltzmann equation: H-Term takes care of decrease in density by expansion. Right-hand side: Annihilation and Production. T>>M: f+f->m+m; M+M->f+f T<M: M+M->f+f T=M/25: M decoupled, stable density (wenn annihilation rate expansion rate, i.e. Γ=<σv>nχ H!) WIMP annihilation is a strong source of antiprotons, positrons and gammas by annihilation into quarks. Present number density (Ωh 2 =0.113±0.009)requires <σv>= cm 3 /s assuming no coannihilation September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 27
28 WIMP Annihilation Final States χ χ ~ f f f χ χ f f χ χ f f χ χ χ W χ ± χ 0 W χ Z Z Dominant Diagram for WMAP cross section: χ + χ A b bbar quark pair B-fragmentation well studied at LEP! Yield and spectra of positrons, gammas and antiprotons well known! September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 28
29 EGRET Satellit ( ) EGRET Satellit hat 9 Jahre lang Photonen bis 100 GeV im Weltall gemessen. Daten zeigen einen Überschuss, der in allen Himmelsrichtungen das gleiche Spektrum hat. Wenn es Photonen aus der Selfannihilation der DM in Quarks sind, dann: WIMP masse aus Energie Spektrum Verteilung der DM aus Intensitätsverteilung (Haloverteilung) September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 29
30 Excess of Diffuse Gamma Rays has same spectrum in all directions compatible with WIMP mass of GeV Important: if experiment measures gamma rays down to 0.1 GeV, then normalizations of DM annihihilation and background can both be left free, so one is not sensitive to absolute background estimates, BUT ONLY TO THE SHAPE, which is much better known. September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 30
31 Local electron and proton spectra determine shape of gamma background No SM No SM Protons Electrons WIMPS Solar modulation (SM) important below 10 GeV Proton and electron spectra above 10 GeV well measured Gamma spectrum well known, unless one assumes local bubble, i.e. spectra in galaxy different from locally measured ones. September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 31
32 Resultate unserer Gruppe xy xz Expected Profile xy Observed Profile Isothermal Profile v 2 M/r=cons. and xz ρ M/r 3 ρ 1/r 2 for const. rotation curve z Rotation Curve Rotation Curve x y DM halo disk 2003, Ibata et al, Yanny et al. disk bulge Inner Inner Ring Ring F R F G Outer Ring Outer Ring Halo profile September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 32
33 AMS-02 Particle Identification September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 33
34 Charge measurements ToF, Tracker, RICH performance verified at heavy ion test beam (CERN,GSI) Fe Ca P Ne B September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 34
35 Model of AMS-02 on ISS AMS-02 September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 35
36 Model of AMS-02 on ISS September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 36
37 AMS-02 Collaboration Karlsruhe September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 37
38 AMS-01 flown succesfully 10 days in shuttle September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 38
39 Experimental constraints for experiments on the ISS During launch acceleration up to 9 g The experiment has to be operated in vacuum (radiators f. cooling!) Temperature variations between degree Celsius Maximum degasing on ISS: < g/s/cm 2 Maximum weight lbs Cost: $/lbs Maximal power: 2kW, 1 supply cable with 120 V Maximum data rate: 1Mbyte/s; 1 optical link to ISS Superconducting magnet of 0.8 T needs 2500 l. of Helium (30% of weight). Cooling without gravity? September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 39
40 BESTRAHLUNG VON TUMOREN September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 40
41 PET-AUFNAHME September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 41
42 DAS INTERNET September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 42
43 ANWENDUNGEN DES FREIEN ELEKTRONEN LASERS Röntgen-FEL: 0.1 nm Laser - Filme von chemischen Reaktionen. - Strukturuntersuchung mit atomarer Auflösung. Eiweißmolekül Diffraktion an einzelnen Molekülen September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 43
44 AUSBLICK Hoffnung: Nach LHC können wir den Weight Watchers erzählen, woher Ihre Masse kommt Die Anzahl der Elementarteilchen hat sich verdoppelt Wir verstehen 27% der Energie des Universums statt bisher 4% IEKP Karlsruhe ist bei allen Themen dabei! (Higgs Gruppe, SUSY Gruppe, DM Gruppe) September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 44
45 EINE KARLSRUHER DIPLOMANDIN September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 45
46 DER LARGE HADRON COLLIDER LHC: Proton-Proton-Kollisionen bei 14 TeV Schwerpunktsenergie Umfang 27 km September, 2004 CERN Exkursion W. de Boer, Univ. Karlsruhe 46
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