Detektoren die Augen der Teilchenphysiker. Anja Vest

Transkript

1 Detektoren die Augen der Teilchenphysiker Anja Vest

2 Inhalt Motivation Beschleuniger Detektoren und Teilchenidentifikation Ableger ( Spin-offs ) der Teilchenphysik 2

3 Teilchenphysik = Hochenergiephysik Forscher nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn mit steigender Energie E (Impuls p) der Projektile steigt Die Fähigkeit, kleine Strukturen Δx zu erkennen: Δx Δp = ħ (Heisenberg) Die Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen: E = mc2 (Einstein) 3

4 Nützliche Einheiten für Teilchen Größe: 1 fm = 1 Femtometer ( Fermi ) = m (1 µm = fm) Energie: 1 ElektronVolt = 1eV (1eV = 1, J) 1 kev = 103 ev 1 MeV = 106 ev 1 GeV = 109 ev 1 TeV = 1012 ev Kiloelektronenvolt Megaelektronenvolt Gigaelektronenvolt Teraelektronenvolt 1 KiloElektronVolt = 1 kev 1 MegaElektronVolt = 1 MeV 1 GigaElektronVolt = 1 GeV = ev = ev = ev 1 GeV: viel für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0, Sekunden zum Leuchten bringen 4

5 Teilchenbeschleuniger als Mikroskope Sehen = Abbilden Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor) Auflösungsvermögen : Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Projektilgröße << Größe der Strukturen Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV), z.b.: 0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV 200 fm bei E = 1 MeV = 1000 kev 0,2 µm bei E = 1 ev 5

6 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle 6

7 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Tennisbälle 7

8 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Murmeln 8

9 Protonen und Neutronen sind nicht elementar! Indirekte Hinweise: z.b. Ordnungsschema (60er Jahre) Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen Quarks 1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg Nötige Treffgenauigkeit: << 1 fm Energie >> 0,2 GeV Resultat: 1 fm 9

10 Das vollständige Set der Bausteinteilchen Fundamentale Bausteine der Materie: Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d zu Kernen oder Atomen gebunden Neutrino ν, ungebunden Alle punktförmig (< fm) Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? Wieso gibt es genau drei Teilchenfamilien? Was ist der Ursprung der Teilchenmasse? 10

11 Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Haben Sie auch daheim! Funktionsprinzip: Linearbeschleuniger: Fermilab, Chicago (in Betrieb) DESY, Hamburg (in Planung) 11

12 Ein Ziel des LHC: Die Suche nach dem Higgs-Boson 12

13 Collider am CERN LEP (e+e-): : GeV : bis GeV LHC (pp): Seit 2010: GeV > 2013: GeV? 13

14 Der Large Hadron Collider LHC Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen 14

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17 LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug 120 Elefanten mit 40 km/h Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser 17

18 Bilder vom LHC 18

19 Bilder vom LHC 19

20 Ein Blick in den Tunnel Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu Strukturen und Abständen von Metern Massen auf der Teraskala (E = mc2 = 1TeV) Entwicklung des Universums nach dem Urknall von 0, s bis 0, s 20

21 Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am

22 Der ATLAS Detektor 22

23 Der CMS Detektor 23

24 Die internationale ATLAS Kollaboration 170 Universitäten und Institute aus 40 Ländern 24

25 Hier in Dresden: ATLAS Experiment Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Größenvergleich 25

26 Teilchenidentifikation = Detektivarbeit Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten Feststellbare Teilcheneigenschaften: aus Quarks ( Hadronen ) elektr. geladen / ungeladen leicht / schwer 26

27 ATLAS Silizium-Spurdetektor Pixel Detektor (Halbleiterdetektor) Funktionsweise: Nachweis der Teilchen über Ionisation des Siliziums Magnetfeld (2T) Lorentzkraft Krümmung der Teilchenspuren 27

28 Schnitt durch einen Sektor des ATLAS Detektors 28

29 Detektorverhalten 29

30 Zusammenfassung Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren die Bildung von Hadronjets aus Quarks 30

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32 Zusammenhang Kosmologie - Teilchenphysik Frühes Universum: Temperatur 1015 K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV alle Teilchen kollidieren unkontrolliert Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung 32

33 Auf der Suche nach der Weltformel heutige experimentelle Grenze Fortschritt der Physik Zurück zum Urknall 33

34 Spin-offs der Teilchenphysik Spin-off = Ableger : Nutzung einer bekannten Technologie in einem Bereich, für den sie ursprünglich nicht entwickelt worden ist. Beispiele: Das World-Wide Web Tera-Heilen mit Hadronen Digitales Röntgen 34

35 Das World Wide Web Entwickelt 1989 am CERN (http-protokoll) Ursprüngliches Ziel: Forschungsergebnisse auf einfache Art und Weise mit Kollegen auszutauschen Methode: Verflechten von wissenschaftlichen Artikeln Erstellen eines Webs 1991 weltweit zur allgemeinen Benutzung freigegeben heute fast in jedem Haushalt 35

36 Tera-Heilen mit Hadronen Entwicklung initiiert vom CERN Übliche Strahlentherapie schädigt nicht nur den Tumor, sondern auch das Gewebe davor und dahinter Hadron-Strahlung: hohe Zielgenauigkeit das Maximum an Energie wird direkt im Tumorherd entladen Das darüberliegende Gewebe wird viel weniger geschädigt Behandlung von Tumoren auch in sensiblen Körperregionen möglich 36

37 Digitales Röntgen Pixel Detektor für ATLAS (Halbleiterdetektor) Funktionsweise: Nachweis der Teilchen über Ionisation des Siliziums Vorteil: Jedes einzelne Röntgenquant wir gezählt Geringe Strahlenbelastung Über-/Unterbelichtung kann korrigiert werden 37

38 Digitales Röntgen Vergleich 38

39 Backup 39

40 Konzept der Wechselwirkungen Wechselwirkung: Kraftwirkung zwischen Teilchen Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion 4 fundamentale Wechselwirkungen: Gravitation (Schwerkraft) Elektromagnetismus Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung q q n n pp n p n p nnn p pp n p pnp 40

41 Schlussübersicht 41