LHC DER GRÖSSTE TEILCHEN- BESCHLEUNIGER DER WELT LHC - THE LARGEST PARTICLE COLLIDER WORLDWIDE

Transkript

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2 G 3.2 LHC DER GRÖSSTE TEILCHEN- BESCHLEUNIGER DER WELT LHC - THE LARGEST PARTICLE COLLIDER WORLDWIDE

3 G 3.2 DER URKNALL IM TUNNEL THE BIG BANG IN THE TUNNEL Der Large Hadron Collider LHC am CERN ist ein ringförmiger Teilchenbeschleuniger mit einem Umfang von 27 Kilometern. Er befindet sich in etwa 100 Meter Tiefe im Grenzgebiet zwischen Frankreich und der Schweiz in der Nähe von Genf. Physiker nutzen den LHC, um Zustände wie unmittelbar nach dem Urknall zu erzeugen. Um diesen Urknall im Labor genauer zu untersuchen, haben sie in den vergangenen Jahren vier riesige Messgeräte gebaut die Teilchendetektoren ATLAS, CMS, LHCb und ALICE. CERN s Large Hadron Collider (LHC) is a ring-shaped particle accelerator measuring 27 km in circumference. It lies in a tunnel about 100 m deep in the border region of France and Switzerland near Geneva. Physicists use the LHC to simulate the conditions created immediately af ter the Big Bang. In order to analyse the Big Bang in the lab more accurately, they have developed four huge scientific instruments the ATLAS, CMS, LHCb and ALICE particle detectors in the past few years.

4 G3.2 GENF GENEVA SCHWEIZ SWITZERLAND CERN FRANKREICH FRANCE GENFER SEE LAKE GENEVA ATLAS LHCb ALICE CMS ATLAS DER RIESE ATLAS THE GIANT Mit einer Länge von 46 und einem Durchmesser von 25 Metern ist ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) einer der größten Teilchendetektoren, die jemals gebaut wurden. Die Wissenschaftler hoffen, am ATLAS-Detektor Hinweise auf das Higgs-Teilchen, auf supersymmetrische Teilchen sowie zusätzliche Raumdimensionen zu finden. With a length of 46 m and a diameter of 25 m, ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) is one of the largest particle detectors ever built. Scientists hope the ATLAS detector will reveal more about the Higgs boson particle, super-symmetric particles and new dimensions of space. LHCb IM ZEICHEN DER SCHÖNHEIT LHCb THE BEAUTY SCOUT Am LHCb-Detektor (Large Hadron Collider beauty) wird erforscht, warum unser Universum hauptsächlich aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht obwohl nach der gängigen Urknall-Theorie genauso viele Antiteilchen wie Teilchen entstanden sein müssten. Die Wissenschaftler untersuchen dies anhand von Teilchen, die ein so genanntes Beauty -Quark enthalten. The LHCb detector (Large Hadron Collider beauty) will examine why our universe consists primarily of matter rather than anti-matter when, according to the prevailing Big Bang theory, there must have been as many anti-particles created as particles. Scientists will be testing this theory on particles containing the so-called beauty quark. CMS DER SCHWERE CMS THE HEAVYWEIGHT Mit einem Gewicht von Tonnen ist CMS (Compact Muon Solenoid) der schwerste Teilchendetektor am LHC. Auch CMS ist ein Vielzweckdetektor und untersucht im Wesentlichen dieselben physikalischen Fragestellungen wie ATLAS. So können Erkenntnisse des einen Experiments im jeweils anderen überprüft werden. Weighing in at 14,000 tons, CMS (Compact Muon Solenoid) is the heaviest particle detector of the LHC accelerator. CMS is a generalpurpose detector and essentially addresses the same physical questions as ATLAS. This means the findings of one experiment can be compared with the results of the other. ALICE DIE PLASMASCHMIEDE ALICE THE PLASMA PRODUCER Am ALICE-Detektor (A Large Ion Collider Experiment) soll der Urzustand der Materie erforscht werden. Dafür werden Blei-Ionen zur Kollision gebracht, wodurch für einen kurzen Moment Temperaturen entstehen, die mehrere mal höher sind als im Innern der Sonne. Die Wissenschaftler versprechen sich dadurch Erkenntnisse, wie sich die Teilchen bildeten, aus denen unser Universum besteht. Grafik: DESY The ALICE (A Large Ion Collider Experiment) detector is designed to study matter in its primordial form. Lead ions are sent on a collision course, momentarily generating temperatures many 100,000 times greater than that of the sun s core. Scientists hope to learn from this how the particles that created our universe were originally formed.

5 G 3.2 Blick in den Beschleunigertunnel: Supraleitende Magnete (blau) halten die Protonen auf der Kreisbahn. An inside view of the LHC tunnel: superconducting magnets (blue) keep the protons on course. Foto: CERN

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7 G 3.3 DAS ATLAS-EXPERIMENT THE ATLAS EXPERIMENT

8 DER WEG DER TEILCHEN DURCH DEN LHC THE PATH OF PARTICLES THROUGH THE LHC Am Anfang steht eine handelsübliche Wasserstoff-Gasflasche. Mit einem starken elektrischen Feld werden die Elektronen aus dem Wasserstoff herausgelöst. Übrig bleiben Wasserstoffkerne (Protonen), die in einer Reihe von Vorbeschleunigern auf annähernd Lichtgschwindigkeit beschleunigt und in den LHC eingespeist werden. Im LHC fliegen die Protonen dann in Teilchenpaketen durch zwei getrennte Strahlrohre in gegenläufigen Richtungen. Starke Magnetfelder halten die Teilchenstrahlen auf der Kreisbahn des Beschleunigers. Die Spulen der Magnete sind aus supraleitenden Kabeln gewickelt, durch die der Strom ohne Widerstand und damit ohne Energieverlust fließt. Dafür müssen die Magnete auf etwa minus 271 Grad Celsius heruntergekühlt werden, 2 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Das ist kälter als im Weltall! An vier Stellen im LHC können die Teilchenstrahlen aufeinander prallen. Was hier geschieht, untersuchen Physiker mit Hilfe der vier Teilchendetektoren ATLAS, CMS, LHCb und ALICE. Die Entwicklung des ATLAS-Detektors erfolgte als internationales Gemeinschaf tsprojekt. Daran war das Max-Planck-Institut für Physik, in enger Zusammenarbeit mit der LMU München und 13 weiteren deutschen Universitäten und Institutionen, maßgeblich beteiligt. It all starts with a conventional hydrogen gas bottle. A powerful electric field then strips the hydrogen atoms of their electrons. The remaining nuclei (protons) are accelerated to almost the speed of light in a series of pre-accelerators, before being injected into the LHC. Once inside the LHC, the protons hurtle within particle bundles through two separate beam pipes in opposite directions. Powerful magnetic fields keep the particle beams on their circular course. The coils of the magnets are made of superconducting cables that can carry an electrical current without any resistance or loss of power. To achieve superconductivity, the magnets have to be chilled to about minus 271 degrees C or 2 degrees above absolute zero which is colder than outer space! The particle beams collide with one another at four different points around the LHC. Physicists then analyse what happens there with the help of the four particle detectors ATLAS, CMS, LHCb and ALICE. The development of the ATLAS detector was an international effort. The Max Planck Institute for Physics played a major role in this project, in close collaboration with LMU Munich and 13 other German universities and institutions.

9 G 3.3 Der ATLAS-Detektor im Bau. Die Brücke, auf der sich der Wissenschaf tler befindet, wurde kurz darauf durch das Strahlrohr des LHC ersetzt. The ATLAS detector while under construction. The bridge the scientist is standing on was then replaced by the beam pipe of the LHC accelerator. Foto: CERN

10 G 3.3 In München entwickelte und gefertigte Komponenten Components developed and fabricated in Munich Myon-Spektrometer Muon Spectrometer Toroid-Magnete Toroid Magnets Pixel-Detektor Pixel Detector Silizium-Spurdetektor SCT Tracker Solenoid-Magnet Solenoid Magnet Flüssig-Argon-Kalorimeter Liquid Argon Calorimeter Übergangsstrahlungsdetektor TRT Tracker Eisen-Szintillator-Kalorimeter Iron Scintillator Calorimeter Modell des ATLAS-Detektors Model of the ATLAS detector Grafik: CERN / Die Werf t

11 G 3.3 DER ATLAS-DETEKTOR THE ATLAS DETECTOR Der ATLAS-Detektor ist nicht nur einer der größten, sondern auch einer der komplexesten Teilchendetektoren, die je gebaut wurden. Er misst die Spuren, die Energien und die Art der Teilchen, die bei den Kollisionen entstehen. Durch die auffällige Technik und Bauweise seiner Detektormagnete unterscheidet sich ATLAS deutlich von den anderen Detektoren am LHC. Beispielsweise besteht sein zentrales Toroid-Magnetsystem aus acht 25 Meter langen, supraleitenden Magnetspulen, die zylinderförmig um den inneren Spurdetektor angeordnet sind. Während des Betriebs entsteht so ein riesiges Magnetfeld, das selbst höchstenergetische Teilchen noch gut messbar ablenkt. The ATLAS detector is not only one of the largest but also one of the most complex particle detectors ever built. It measures the tracks, the energies and types of particles generated by the collisions. Its striking technology and design makes ATLAS quite different from the other detectors at the LHC. For instance, its central toroidal magnet system consists of eight 25-metre-long, superconducting magnetic coils arranged in a cylindrical pattern around the inner tracking detector. This means that, when it is running, a giant magnetic field is created that can deflect even ultra-high-energy particles in a readily measurable way.

12 G3.3 NEUTRINO NEUTRINO MYON MUON NEUTRON NEUTRON PROTON PROTON PHOTON PHOTON ELEKTRON ELECTRON STRAHLROHR BEAM PIPE SPURDETEKTOR TRACKING DETECTOR ELEKTROMAGNETISCHES KALORIMETER ELECTROMAGNETIC CALORIMETER HADRONISCHES-KALORIMETER HADRONIC CALORIMETER SUB-SYSTEME DES ATLAS-DETEKTORS SUBSYSTEMS OF THE ATLAS DETECTOR Bei den Kollisionen entstehen enorm viele neue Teilchen, die in alle Richtungen auseinanderfliegen. Die Spuren dieser Teilchen werden in den verschiedenen Sub-Systemen des ATLAS-Detektors gemessen und aufgezeichnet. Aus diesen Daten schließen die Wissenschaftler, was bei den Kollisionen passiert ist. As a result of the collisions, an enormous number of new particles are generated and fly off in all directions. The tracks of these particles are measured and recorded by the various subsystems of the ATLAS detector. Scientists use this data to work out what happened during the collisions. Die Sub-Systeme des ATLAS-Detektors sind dabei wie die Schalen einer Zwiebel um den Kollisionspunkt der Teilchen herum angeordnet: The subsystems of the ATLAS detector are arranged like the layers of an onion around the collision point of the particles: 1. Die inneren Detektorschichten enthalten die Spurdetektoren. Sie messen den genauen Ort, an dem die Protonen zusammenstoßen sowie die Spuren, die elektrisch geladene Teilchen hinterlassen. Ein Magnet feld krümmt dabei ihre Bahnen. So lassen sich Impuls und elektrische Ladung dieser Teilchen bestimmen. 2. In den mittleren Lagen befinden sich die Kalorimeter, welche die Energie der Teilchen bestimmen. 3. Die äußeren Schichten des Myon-Spektrometers weisen Myonen nach. Myonen sind die schweren Partner des Elektrons und durchdringen alle anderen Lagen des Detektors. 1. The innermost layers contain the tracking detectors. They measure the exact point at which the protons collide and also the tracks left behind by electrically charged particles when a magnetic field deflects them. The momentum and electrical charge of the particles can also be determined by these detectors. 2. The calorimeters that measure the energy of the particles are situated within the middle layers. 3. The outer layers of the muon spectrometer detect muons. Muons are the heavy counterparts of the electron and they pass through all the other layers of the detector. Grafik: Die Werft MYON-SPEKTROMETER MUON SPECTROMETER

13 Notwendige Bedienschritte im Kontrollraum 2. Aurufen von anderen Seiten auf der Leinwand 3. Abspielen der Geräusche 1. Film+Countdown starten