IMMER NOCH UNBEANTWORTETE FRAGEN... Warum haben wir Masse? HIGGS Teilchen?

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1 IMMER NOCH UNBEANTWORTETE FRAGEN... Dimensins Warum haben wir Masse? HIGGS Teilchen? Was füllt das Weltall aus? Dunkle Materie, was ist das? Und die dunkle Energie? Wieviele Dimensinen hat die Wirklichkeit? UND DIE ANTWORT Teilchenkllisinen bei hhen Energien Dr. Verena Kain, Engineer in Charge, Operatins 1

2 Teilchenkllisinen sind alltäglich. Teilchenkllisinen Selbst hchenergetische Teilchenkllisinen: KOSMISCHE STRAHLUNG Ein fixed target experiment. Andauernd wird die Atmsphäre der Erde mit hchenergetischen Teilchen bmbardiert. Warum kann man diese Kllisinen nicht verwenden, um unsere Fragen zu beantwrten? Uns interessieren Kllisinsprdukte, die mit geringen Wahrscheinlichkeiten erzeugt werden. Ganze Erde als Detektr? 2

3 W? Teilchenkllisinen unter whldefinierten Knditinen Wann? Wieviel? Welche Ausgangsenergie? TEILCHENBESCHLEUNIGER...die bessere Variante: TEILCHEN-COLLIDER 3

4 Fixed Target Experiment Teilchen-Cllider 1 Teilchenstrahl Energie für Teilchenprduktin: E E 1 Beispiel: CERN Neutrin t Gran Sass Anlage Cllider 2 Strahlen!!! Energie für Teilchenprduktin: E = E + E 1 2 4

5 Large Hadrn Cllider () Der Large Hadrn Cllider () ist ein Prtnen-Cllider* mit wahnsinnigen Parametern. *später auch Inen ENERGIE & Eventrate Einsteins Masse-Energie-Äquivalenz E = m c 2 Wir messen die Masse in Einheiten ev (Elektrnvlt)...die Energie die ein Elektrn beim Durchlaufen der Spannung vn 1 Vlt bekmmt. TeV = ev wird die Prtnen auf 7 TeV beschleunigen: 14 TeV pr Kllisin TeV schwere neue Teilchen. Interessante neue Teilchen erzeugt man selten. Eventrate = 10 9 Events pr Sekunde. Und nur 10 bis 100 pr Sekunde sind wertvll. Und manche Ereignisse treten sgar nur einmal pr Stunde auf. 5

6 W befindet sich der? Am CERN das führende Teilchenphysiklabr in Eurpa, in der Nähe vn Genf Ca. 100 m unter der Erde In einem kreisförmigen Tunnel mit einem UMFANG VON 27 km (ehemaliger LEP Tunnel) : 27 km lng 100m undergrund ATLAS CMS +TOTEM ALICE 6

7 CERN 20 Mitgliedsstaaten 5 Staaten mit Bebachterstatus...und viele andere, die an der Frschung am CERN teilnehmen. Beschleuniger Experimente SPS Nrth area, CNGS PS East area Bster ISOLDE AD 2544 CERN staff Users:

8 CERN Beschleunigerkmplex The CERN acceleratr cmplex: injectrs and transfer Beam Beam TI2 2 SPS TI8 8 prtns LINAC Ins Bster CPS 1 Zum Beispiel: LEIR SPS: 7 km Umfang, Strahlen (450 GeV), fixed target Strahlen (400 GeV) für CNGS und Nrth Area 8

9 CERN Nachwuchsförderung Viele attraktive Studentenprgramme Smmerstudentenprgramm Technische Studenten Dktrat am CERN 9

10 Wie funktiniert ein Beschleuniger? Geladene Teilchen werden in elektrischen Feldern beschleunigt Für eine Energie vn 7 TeV Spannung vn 7 TV durchlaufen Man schafft ca. 10 MV/m (supraleitende Kavitäten): erfrderliche Länge für Linearbeschleuniger: 350 km (20 MV/m) Kreisförmige Beschleuniger: ftmaliges Durchlaufen derselben Beschleunigerstrecke. Die geladenen Teilchen werden mit Magnetfeldern auf der Bahn gehalten, fkussiert und in Kllisin gebracht. Teilchenbahnkrrektur: Diplmagnet Strahlgrößekrrektur: Quadruplmagnet... Je höher die Energie der Teilchen, dest höher das benötigte Magnetfeld Synchrtrn 10

11 Beschleunigung mit Hchfrequenzfeldern Zylindrische Kavität. 400 MHz wie im zeitlich veränderliche Spannung Nach 1.25 ns E r (t) 2a z E(z) g E 0 z -E 0 : 2 Mdules per beam 4 Cavities per mdule 11

12 Beschleunigung mit Hchfrequenzfeldern Um beschleunigt zu werden, muss die Phase des Feldes richtig sein. Zeitlich veränderliche Spannung: U() t := U 0 sin ( 2 πf rf t + dt) Frequenz : f rf = 100 MHz Maximale Spannung: U 0 = V In einem HF Feld kann kein kntinuierlicher Strahl beschleunigt werden. TEILCHENPAKETE Spannung U(t) beschleunigt gebremst Zeit Teilchenpaket hat endliche Länge. Nicht alle Teilchen werden gleich beschleunigt. Phasenfkussierung. Frequenz des Feldes muss Vielfaches der Umlauffrequenz sein. Umlauffrequenz: ~ 11 khz, RF Frequenz: ~ 400 MHz 12

13 Magnetfelder Strahllenkung: Diplfelder Fkussierung: Warum: Teilchen mit leicht unterschiedlichen Injektinsparametern separieren mit der Zeit. Beispiel: 10-6 rad Unterschied im Injektinswinkel Nach 10 6 m lngitudinal, Teilchen sind 1 m transversal vneinander entfernt. Im (Umfang 27 km): nach 50 Umdrehungen. (5 ms!!!) Fkussierung passiert mit Quadruplmagneten Kntrlle der Strahlgröße N B y = B y x x S Teilchen würden nach unten fallen: Gravitatin Andere Multiple: S N Sextuplmagneten zur Krrektur der Trajektrien vn ff-mmentum Teilchen Octuple, Decaple,...um Strahlinstabilitäten auszugleichen der Feldfehler zu krrigieren. 13

14 Die Superlative: Magnetfeld Welches Magnetfeld braucht man, um die Prtnen auf einer Kreisbahn zu halten? Kreisbahnradius vrgegeben: LEP Tunnel Energie 7 TeV r F = e m v R 0 2 r r v B = e 0 v B B = e 0 p R Antwrt: 8.33 T Erdmagnetfeld: 50 ut = 50/ T Herkömmliche Elektrmagnete: Maximum 2 T supraleitende Elektrmagnete für den 14

15 Supraleitende Magnete für den Supraleitende Kabel: Supraleiter Nibium-Titan Strand Cable Filament Daraus werden die Magnetspulen gewickelt. Die Arbeitstemperatur dieser Leiter: 1.9 K ~ - 271º C I I I Kühlflüssigkeit: supraflüssiges Helium B Magnete sind in He-Bad 15

16 (Fast) 27 km kälter als das Weltall Temperaturen um den Ring Pr Sektr: 3 Wchen cl-dwn, 3 Wchen warm-up 16

17 Prtn-Prtn Kllisinen im Unterschiedliche Felder für die beiden Strahlen Prtnen Antiprtnen B Ein Kreisbeschleuniger für zwei Stahlen mit gleichen Teilchen erfrdert Magnete entgegengesetzter Feldrichtung B Daher viele Cllider mit Prtnen / Antiprtnen und e+e- 17

18 supraleitender Dipl 18

19 Die Superlative Insgesamt haben wir ~ 8000 Magnete 7600 km supraleitendes Kabel ~ 1200 t 8.3 T entspricht A Bei 7 TeV sind 11 GJ Energie in den Magneten gespeichert. Preis der Maschine (hne Experimente und Cmputing): 5 Mrd. CHF Benötigte Leistung 180 MW Verbrauch ~ 700 GWh/yr (10 % vm Kantn Genf) 19

20 Technlgietransfer Der ist riesig und hat 1000e Kmpnenten Jedes Teil muss in 1000en prduziert werden. Prduktin wurde zum Teil in Industrien/Labre aller Welt ausgelagert Beispiel: Diplmagnet: Frankreich: Alstm, Jeumnt S.A. Equivalent diples Deutschland: Babcck Nell 250 Italien: Ansald Supercnduttri 0 01-Jan Jan Jan Jan Jan Jan Jan Jan-08 Cld masses delivered Crydiples assembled Crydiples cld tests passed Crydiples assigned t psitin in ring Crydiples prepared fr installatin Crydiples installed Beispiel: Tripletquadruplmagnete Japan und USA Ähnlich: Strahldiagnstik, Pwer supplies, Cry-anlage, Kllimatren, Transferequipment,...

21 Erster Crydipl wurde am 7. März 2005 in den Tunnel hinabgelassen Hauptdipl: 35 t, 15 m lang. Insgesamt 1232 in der Maschine 21

22 Magnettransprt im Tunnel Bis zu 15 km wurden Magnete damit transprtiert Mit 3 km/h. 22

23 Dipl installiert im Tunnel 23

24 Die -Bögen Der ist in 8 Sektren eingeteilt. Ein Sektr befindet sich zwischen 2 Punkten. An den Punkten hat man GERADE STRECKEN Jeder Sektr kann unabhängig gepwert und gekühlt werden. Zwischen den geraden Strecken befinden sich die Bögen. ca. 3 km lang Die Bögen haben eine FODO-Struktur nett Fkussierung QF diple decaple QD sextuple QF magnets magnets magnets small sextuple crrectr magnets Cell - Length abut 110 m (schematic layut) 24

25 Gerade Strecken mit Experimenten Punkt 1, 2, 5 und 8 haben gerade Strecken dieser Art: Die beiden Strahlen werden in EINE Vakuumkammer geführt mit Rekmbinatinsdiplen, D1 und D2. Der Strahl wird fkussiert in den Interaktinspunkt (IP) mit den Tripletquadruplen. Kreuzungswinkel mit Hilfe vn Orbitkrrektrmagneten. Während der Injektin und Rampe sind die Strahlen auf Separatinsbeulen keine Kllisin. 25

26 Die Superlative: Strahl Eventrate = 10 9 Events pr Sekunde. Eventrate = Wirkungsquerschnitt der Prtnen (E) Luminsität Luminsität hängt ab vn Anzahl der Teilchenpakete und Anzahl der Teilchen pr Teilchenpaket ab Außerdem Größe der Strahlen am Interaktinspunkt und Kreuzungswinkel Für die nminelle Eventrate braucht man 2808 Teilchenpakete mit je Prtnen Prtnen bewegen sich quasi mit Lichtgeschwindigkeit Bei 7 TeV entspricht das 360 MJ gespeichert im Strahl 26

27 360 MJ entsprechen Britischer Flugzeugträger mit 12 Knten...der einem Aut (3200 kg) mit 1700 km/h Ein Strahl mit nur einem 1/400 der gespeicherten Energie bhrt Löcher in Metall 6 cm Experiment in der Injektinslinie des 25 cm 27

28 Der Zyklus 12 Injektinen vm SPS, um den zu füllen MB current Physics Beam dump Ramp dwn Preinjectin plateau Injectin 2000 Prepare Physics B [T] 0 Ramp -3000dwn Mins Pre-Injectin Plateau 15 Mins Injectin Ramp Squeeze Prepare Physics Physics 15 Mins 28 Mins 20 Mins 10 Mins 0-20 Hrs Time [s] Start ramp Im Vergleich dazu: SPS Strahl: Injektin + Beschleunigung + Extraktin = 20 s 0 28

29 Was passiert am Ende des Zyklus mit dem Strahl? Nach 10 Stunden Datennehmen ist die Luminsität nur mehr 1/3 ihres Anfangswertes. Dann aber nch immer zwischen 200 MJ 300 MJ im Strahl. Nur ein Element kann den Impakt des Strahles überleben: der BEAM DUMP Der Strahl wird drthin extrahiert. Beam dump blck 8 m Beam dump blck: Graphitkern 29

30 - Rückblick 1982 : Erste Studien zu Prjekt 1989 : Start der LEP Operatin (Z-factry) 1994 : Genehmigung des s durch den CERN Cuncil 1996 : Endgültige Entscheidung für Bau des s 1996 : LEP Operatin bei 100 GeV (W-factry) 2000 : Ende der LEP Operatin 2002 : LEP aus dem Tunnel entfernt 2003 : Start der Installatin 2005 : Start des Hardware Cmmissinings 2008 : Erste Inbetriebnahme mit Strahl : START-UP 30

31 Üben für den 10. September Smmer 2008 Injektinstests kleine Intensität: 2 x 10 9 Prtnen Kllimatr Injectin test 12 Injectin test September August 31

32 Beispiel für Messung: Aperturscan Oszillatinen im Bgen FODO-Zellen: Trajektrie durch eine FODO-Struktur Messung der Apertur: maximale Oszillatin, die in Vakuumkammer passt. Messung vm 23. August 32

33 10. September 2008 Start-up...und die Medien 33

34 Ziel: 1 x um den Ring Kleine Intensität: 1/ der nminellen Intensität 34

35 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 35

44 Fädeln um den Ring Strahl 2 ~ 50 Minuten Strahl 1 ~ 60 Minuten Strahl 2 Nach 1 Tag: Stabiler Strahl, Lebensdauer vn Stunden!!! (Bei Injektinsenergie und sehr kleiner Intensität) 44

45 19. September - Vrzeitige Winterpause für den Während eines Tests für 5 TeV Operatin ist eine Verbindung eines supraleitendes Kabels zwischen 2 Magneten aufgebrchen. 200 MJ in einem Punkt verlren Schmelzen des Kabels an der Stelle und Heliumverlust Start-up erst wieder nächstes Jahr 45

46 Erfindungsgeist der Physiker und Ingenieure - Beispiel Prblem mit Plug-in mdules Verbindungsstück zwischen den Strahlvakuumkammern zwischen den Magneten Arc plug-in mdule bei Betriebstemperatur Raumtemperatur Wrng Right RF-Finger hatten zu grßen Winkel beim Wiederaufwärmen vn Sektr 78 ergab sich flgendes Prblem: da passt kein Strahl durch. 46

47 Erfindungsgeist der Physiker und Ingenieure - Beispiel Plug-in mdule -Prblem einfach zu reparieren wie detektieren? Lösung: Ping-png Ball durch Sektr Blasen. Strahlpsitinsmnitre können 40 MHz Signale auflösen. Ping-png Ball, der 40 MHz Signal emittiert. Damit wurden 16 prblematische PIMs entdeckt (9 davn unerwartet). 28 PIMs wurden ausgetauscht. Und auch für das Prblem vm 19. September werden wir eine ähnlich geniale Lösung finden. 47

48 Schlusswrt Der ist eine extrem kmplexe Maschine mit Parametern am Rande des Machbaren......eines der aufregendsten Experimente der Geschichte der Menschheit......das die Welt der Physik (unseren Begriff der Wirklichkeit) völlig revlutinieren könnte. 48

49 DANKE FÜR MATERIAL AN... R. Schmidt, F. Brdy, M. Lamnt, CERN Outreach Pages, v.a. 49