Accelerating Science and Innovation. Das Forschungszentrum CERN - von den höchsten Energien zu den kleinsten Teilchen

Transkript

1 Accelerating Science and Innovation Das Forschungszentrum CERN - von den höchsten Energien zu den kleinsten Teilchen R.-D. Heuer, CERN NGW, Winterthur,

2 CERN Gründung 1954: 12 Europäische Staaten Science for Peace Heute: 20 Mitgliedsländer ~ 2300 Angestellte ~ 980 Stipendiaten > wiss. Nutzer Budget (2012) ~1000 MCHF Member States: Austria, Belgium, Bulgaria, the Czech Republic, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Italy, the Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom Candidate for Accession: Romania Associate Member in the Pre-Stage to Membership: Israel, Serbien Applicant States: Cyprus, Slovenia, Turkey Observers to Council: India, Japan, the Russian Federation, the United States of America, Turkey, the European Commission and UNESCO 2

3 CERN s Auftrag Grundlagenforschung: Erweiterung der Grenzen menschlichen Wissens z.b. Erkenntnisse zur Entwicklung des frühen Universums Entwicklung neuer Technologien für Beschleuniger und Detektoren Informationstechnologie - WWW und GRID Medizin - Diagnose und Therapie Ausbildung der Wissenschaftler und Ingenieure von morgen Völkerverständigung

4 Wissenschaft heute: globale Zusammenarbeit

5 Entwicklung des Universums Urknall 13.7 Milliarden Jahre cm Heute

6 Urknall Proton Atom Radius of Earth Earth to Sun Radius von Galaxien LHC Universum Super-Mikroskop Untersuchung der physikalischen Gesetze im frühen Universum : Symbiose zwischen Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie AMS Hubble VLT ALMA

7 Nach etwa 50 Jahren Forschung: Status Standard-Modell Materie besteht aus Quarks und Leptonen (Fermionen) Wechselwirkung durch Kraftteilchen (Bosonen) Letzte Einträge: top-quark 1995 tau-neutrino 2000

8 Standardmodell Standard Modell der Teilchenphysik (Glashow, Salam, Weinberg: Nobelpreis 1979) Mathematischer Formalismus, beschreibt alle Wechselwirkungen vermittelt durch schwache, elektromagnetische und starke Kraft experimentelle Tests mit sehr hoher Präzision bis zu Abständen ~10-18 m bzw. Energien von O(100 GeV) aber...

9 DER fehlende Baustein des Standardmodells... Formalismus nur gültig für masselose Teilchen! Was ist der Ursprung der Masse elementarer Teilchen? Mögliche Lösung: Masse = Eigenschaft von Teilchen der Energie E sich mit Geschwindigkeit v/c = (1-m 2 /E 2 ) 1/2 zu bewegen Einführung eines skalaren Feldes (Higgs-Feld) Teilchen erhalten Masse durch Wechselwirkung mit diesem Higgs-Feld Selbstwechselwirkung > Higgs-Teilchen Benannt nach Peter Higgs

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15 DER fehlende Baustein des Standardmodells... Formalismus nur gültig für masselose Teilchen! Was ist der Ursprung der Masse elementarer Teilchen? Mögliche Lösung:: Masse = Eigenschaft von Teilchen der Energie E sich mit Geschwindigkeit v/c = (1-m 2 /E 2 ) 1/2 zu bewegen Einführung eines skalaren Feldes (Higgs-Feld) Teilchen erhalten Masse durch Wechselwirkung mit diesem Higgs-Feld Selbstwechselwirkung > Higgs-Teilchen Benannt nach Peter Higgs Higgs-Teilchen = letzter fehlender Baustein im Standardmodell aber: existiert das Higgs-Teilchen überhaupt?? und darüber hinaus

16 Offene Fragen der Teilchenphysik... lässt das Standardmodell viele Fragen unbeantwortet: Vereinheitlichung der Kräfte Symmetrie von Materie und Kräften Vereinheitlichung von Quantenphysik und Relativitätstheorie Anzahl der Raum/Zeit Dimensionen Was ist Dunkle Materie Was ist Dunkle Energie

17 insbesonders... Standard Modell DAS ENERGIE DICHTE BUDGET B BARYONS CDM DARK MATTER DE NEUTRINOS DARK ENERGY TOT B CDM DE Mit dem Large Hadron Collider stehen wir heute am Anfang der Erforschung des Dunklen Universums

18 Der Large Hadron Collider Größtes wissenschaftliches Instrument je gebaut, 27km Umfang Ca MitarbeiterInnen beteiligt an Entwicklung und Bau Proton-Proton Stöße, um Mikrokosmos und Bedingungen des frühen Universums zu erforschen Millionen mal pro Sekunde am Accelerating Science and Innovation

19 (=Wasserstoffkern)

20 20

21 Einer der leersten Orte im Sonnensystem Um Teilchen im LHC zirkulieren zu lassen wird ein Vakuum benötigt, ähnlich dem im interstellaren Raum Der Druck in den Vakuumröhren des LHC ist niedriger als der Druck auf der Oberfläche des Mondes 21

22 Einer der kältesten Orte im Universum Mit einer Temperatur von -271 C, bzw. 1.9 K über dem absoluten Nullpunkt, ist der LHC kälter als das All 22

23 Einer der heißesten Orte in der Galaxie Die Kollision zweier Protonstrahlen schafft Temperaturen 1000 Millionen mal höher als in der Sonne, aber in einem viel kleineren Volumen 23

24 Proton-Proton Kollisionen Energie TeV (2010/11: TeV 2012: TeV) 2808 x 2808 Pakete, Abstand 7.5m (25ns) Protonen pro Paket 2808 x 2808 Pakete ( bunches ) Abstand 7.5m (25ns) Bis zu 20 Protonenstösse pro Paketkollision Hunderte Teilchenspuren zu vermessen pro Paketkollision Hohe Anforderungen an Detektor, Datenspeicherung und Datenauswertung

25 Eine neue Ära in der Grundlagenforschung Start des Large Hadron Collider (LHC), einem der größten und wirklich globalen wissenschaftlichen Projektes aller Zeiten, ist der vielleicht aufregendste Zeitpunkt in der Teilchenphysik CMS LHCb Forschung bei höchsten Energien Proton-Proton Stöße bei Energien bis zu 14 TeV ALICE LHC ring: 27 km circumference ATLAS

26 die größten und komplexesten Detektoren das ATLAS Experiment (in der Bauphase) 7000 t, 150 Millionen Sensoren, 1 petabyte/s Messung der Teilchenspuren mit höchster Präzision 26

27 Hector Berlioz, Die Troyaner, Oper in fünf Akten Valencia, Palau de les Arts Reina Sofia, 31 Oktober -12 November 2009 ATLAS,

28 Beispiel-Prozess am LHC q Jet q Jet

29 Wirkungsquerschnitte verschiedener SM Prozesse LHC: einzigartige Kombination der wichtigsten Eigenschaften von Teilchenphysikexperimenten: 1. Höchste Energie 14 TeV 2. und hohe Kollisionsrate /cm 2 /s Mehr als zehn Größenordnungen zwischen totaler Rate und Erzeugungsrate neuer Physik Große Datenmengen notwendig Bbbb ATLAS,

30 Die LHC Experimente: je etwa 100 Millionen Sensoren [eine 6MP Digitalkamera......macht 40 Millionen Aufnahmen/Sekunde] 5-stöckiges Gebäude ATLAS CMS

31 Ballon (30 km) LHC DATEN CD Turm mit Information 1 Jahr LHC Daten! von 40 Mill Kollisionen/Sek wird (~ 20 km) online reduziert auf einige hundert gute Ereignisse/Sek Diese werden auf Platte und Band abgespeichert ca 100-1,000 MegaBytes/sec Mt. Blanc (4.8 km) ~15 PetaBytes pro Jahr für alle vier Experimente

32 Grid Computing and CERN Astronomy & Astrophysics Civil Protection Computational Chemistry Comp. Fluid Dynamics Computer Science/Tools Condensed Matter Physics Earth Sciences Finance Fusion High Energy Physics (WLCG) Humanities Life Sciences Material Sciences Social Sciences 285 sites in 48 countries ~250k CPU cores ~100 PB disk Large number of users 1M jobs/day EGEE-III INFSO-RI

33 Accelerating Science and Innovation LHC 2011 ein hervorragendes Jahr für gesamten Beschleunigerkomplex Infrastruktur Experimente Computing Glion Colloquium / June

34 Exzellente Datennahme 2011 Verifizierung des Standard Modells bei höchsten Energien! wir betreten jetzt Neuland...

35 LHC ermöglicht Untersuchung fundamentaler Fragen der modernenphysik... Wie sah der Materiezustand aus kurz nach dem Urknall, bevor Protonen und Neutronen existieren konnten? Finden wir das Higgs Teilchen, das den Elementarteilchen ihre Masse gibt? Warum haben sich Antimaterie und Materie nicht vollständig vernichtet? Woraus bestehen 96% des Universums? Was ist Dunkle Materie, was ist Dunkle Energie?

36 The Interference Experiment Works! + B 0 K p A CP = ± ± Most precise and first 5σ Observation of CP violation in a hadronic machine B 0 K p - B 0 K - p B s p K A CP = 0.27 ± ± 0.02 First 3σ evidence for CP asymmetry in Bs decays B s p K - B s p - K

37 LHC ermöglicht Untersuchung fundamentaler Fragen der modernenphysik... Wie sah der Materiezustand aus kurz nach dem Urknall, bevor Protonen und Neutronen existieren konnten? Finden wir das Higgs Teilchen, das den Elementarteilchen ihre Masse gibt? Warum haben sich Antimaterie und Materie nicht vollständig vernichtet? Woraus bestehen 96% des Universums? Was ist Dunkle Materie, was ist Dunkle Energie?

38 Erstes Licht ins Dunkle Universum Young-Kee

39 Dunkle Materie Astronomie & Astrophysik werden in den nächsten Jahrzehnten mit neuen Teleskopen erforschen wie Dunkle Materie die sichtbaren Sterne und Galaxien (mit)geformt hat Nur am Teilchenbeschleuniger kann Dunkle Materie im Labor erzeugt werden, um sie genau genug zu verstehen Bestehend aus einer einzigen Teilchenart? oder Variantenreich wie die sichtbare Materie? LHC könnte der perfekte Beschleuniger sein zum Studium der Dunklen Materie

40 SUperSYmmetrie Fermions (Bosons) vereinigt Materie und Kräfte jedes Teilchen erhält supersymmetrischen Partner entgegengesetzter Spinstatistik Bosons (Fermions) SUSY-Teilchen zerfallen in bekannte Teilchen plus leichtestes SUSY-Teilchen Leichtestes SUSY-Teilchen stabil Kandidat für Dunkle Materie erlaubt Vereinigung von starker, schwacher und elektromagnetischer Kraft

41 Beyond the Higgs Boson Supersymmetrie Kandidaten für Dunkle Materie Produktion supersymmetrischer Teilchen am LHC 41 Picture from Marusa Bradac

42 SUSY: new limits on CMSSM Bisher keine Supersymmetrie!... Aber: Potenzial für Entdeckung von SUSY -Teilchen hoch, auch bei 7 bzw. 8 TeV Within the constrained MSSM models we have crossed the border of excluding gluinos and squarks up to 1TeV and beyond. The air is getting thin for constrained SUSY. More conclusive results for the winter conferences G. Tonelli, CERN/INFN/UNIPI 42

43 LHC Resultate, zusammen mit spezifischen Suchexperimenten nach Dunkler Materie: etwa 73% des Universums ist mysteriöse Dunkle erste Energie. Entdeckungen Gleichverteilt im ( skalar ). Dunklen Universum Treibt das Universum auseinander. Herausforderung: erste Hinweise auf die Welt der Dunklen Energie im Labor

44 Das Higgs-Teilchen ist anders! All Materieteilchen sind Spin-1/2 Fermionen Alle Kraftteilchen sind Spin-1 Bosonen Higgs-Teilchen sind Spin-0 Bosonen: Skalare Higgs ist weder Materie noch Kraft Higgs ist anders Dies wäre der erste fundamentale Skalar je entdeckt das Higgs Feld sollte überall im Universum sein -> erste Hinweise auf Dunkle Energie (Skalarfeld)? Warum sollte das Higgs-Teilchen das einzige Teilchen seiner Art sein? LHC kann nach diesen Skalaren suchen und sie untersuchen

45 Wirkungsquerschnitte verschiedener SM Prozesse Erzeugungsrate des Higgs-Bosons abhängig von seiner Masse ebenso seine Zerfallsmöglichkeiten ( Erscheinungsbild im Detektor)

46 P-P Kollision mit zwei Photonen Higgs-Boson oder Untergrund Prozess ohne Higgs-Boson?

47 Kernbotschaft LHC und das Standard Modell Higgs-Boson gefunden: Entdeckung SM-Higgs-Boson ausgeschlossen: Entdeckung 47

48 ATLAS: Combining all (12!) channels together, full 2011 dataset Excluded at 95% CL 110 < m H < GeV (except ) 129 < m H < 539 GeV Expected if no signal GeV Excluded at 99% CL 130 <m H < 486 GeV NEW: full 2011 dataset 48

49 Higgs-Boson bei 7 TeV Heutiger Stand SM-Higgs-Boson ausgeschlossen mit 95% cl bis zu einer Masse von 600 GeV, nur der Bereich zw und GeV noch erlaubt interessante Fluktuationen im Bereich zwischen 124 und 126 GeV

50 Datennahme 2012 Energie: 8 TeV Erwartete Datenmenge: Faktor 3 mehr als

51 Higgs-Boson bei 7 und 8 TeV Heutiger Stand Ausgezeichnete Performanz von SM-Higgs-Boson Collider, ausgeschlossen Experimenten, Computing mit 95% cl bis zu einer Masse von 600 GeV, nur der Bereich zw und GeV noch erlaubt Existenz oder Nicht-Existenz des SM-Higgs-Boson bis zu einer Masse von interessante Fluktuationen im Bereich etwa 600 GeV bis Ende 2012 zwischen 124 und 126 GeV

52 LHC Ergebnisse: Studium des Higgs-Mechanismus im Detail Verständnis des Higgs-Teilchens Dies wäre die erste Untersuchung eines skalaren Feldes Dies könnte der allererste Schritt sein zum Verständnis der Dunklen Energie

53 Die letzten Jahrzehnte: geprägt durch Präzisionsuntersuchungen von 5 % unseres Universums Entdeckung des Standardmodells Der LHC liefert Daten Wir stehen an der Schwelle zu Untersuchungen von 95 % unseres Universums

54 Die letzten Jahrzehnte: geprägt durch Präzisionsuntersuchungen von 5 % unseres Universums Entdeckung des Standardmodells Der LHC liefert Daten Wir stehen an der Schwelle zu Untersuchungen von 95 % unseres Universums Brilliante Aussichten im Dunklen Universum