Vernetzung für excellente Forschung

Transkript

1 Physik am LHC Vernetzung für excellente Forschung Volker Gülzow (DESY), Christian Grimm (DFN) DFN-Forum, Bonn,

2 Der Beginn der Erkenntnis Warum ist es nachts eigentlich dunkel? Triviale Antwort (?): Weil die Sonne nicht scheint. Kann das wahr sein? Nehmen wir mal an, der Himmel wäre unendlich groß und das Universum wäre unveränderlich, unendlich alt und mit unendlich vielen Sternen gefüllt. Dann würden wir, wohin wir auch blicken, auf die Oberfläche eines Sterns schauen. Der Himmel müsste also auch nachts taghell sein! Er ist es aber nicht (das ist eine Beobachtung, also ein Experiment). Also kann was mit den Annahmen (dem Modell) nicht stimmen! Suchen wir also das Ende des Himmels:

3 Erde: von der Scheibe zur Kugel Babylonier und Ägypter glaubten an eine scheibenförmige Erde Babylonische Weltkarte (~600 v.chr.) Aristoteles ( v.chr.) wusste schon, dass die Erde eine Kugel sein muss: Schatten der Erde bei Mondfinsternissen Mastspitzen von entfernten Schiffen immer zuerst sichtbar

4 Claudius Ptolemäus (~ ) Erstes geometrisches Modell der bekannten Welt Erde steht im Mittelpunkt Planeten und Sonne drehen sich um die Erde Komplizierte kreisförmige Bahnen mit Epizyklen, um die Theorie mit den Messwerten in Übereinstimmung zu bringen...

5 Die kopernikanische Wende (1543) Heliozentrisches Weltbild: die Sonne steht im Mittelpunkt, nicht die Erde!

6 Galileo Galilei ( ) Entwickelte das erste brauchbare Fernrohr (weiter)

7 Galileos Beobachtung der Phasen der Venus Venusphasen sind mit dem ptolemäischen Weltbild nicht vereinbar! Experimentelle Evidenz für ein kopernikanisches Weltbild Jede Menge Ärger für Galileo... Das Problem der Epizyklen löste allerdings erst Kepler (elliptische Planetenbahnen)

8 Unser modernes Bild von der Erde Die Welt ist eine Google (?)

9 Satellitenbild der Erde Entfernung: ca km

10 Die Sonne Entfernung: ca. 150 Mio km Photo: ESA/NASA

11 Die Spiralgalaxie M83 Photo: ESO Entfernung: ca. 15 Mio Lichtjahre

12 Der tiefste Blick ins All Image: STScI/NASA Entfernung: ca. 13 Mrd Lichtjahre

13 Stonehenge (~2000 v.chr.) Prähistorische Großforschungseinrichtung(?) Operarius, CC-BY-SA 3.0

14 Instrumente: Teleskope Photo: ESO Europäische Südsternwarte, Paranal, Chile

15 Instrumente: Weltraumteleskop Das Hubble Space Telescope Photo: NASA

16 DESY-Gelände Entfernung: ca. 500 m Photo: DESY

17 Was bringt das Ganze? Grundlagenforschung mit Beschleunigern kostet viel Geld: Baukosten HERA: ~1 Mrd DM Baukosten LHC: ~3 Mrd (ohne Tunnel) Baukosten XFEL: ~986 Mio Baukosten ILC : einige Mrd Das Beschleunigerzentrum aus Sicht der Geldgeber Der Beschleuniger aus Sicht eines Besuchers

18 Ein Blick zurück nach vorn Der Himmel hat ein Ende: den Anfang des Universums! Image: STScI/NASA

19 Die Geschichte des Universums Photo: ESO Graphics: CERN

20 Das Echo des Urknalls Temperaturverteilung der kosmischen Hintergrundstrahlung Image: NASA Alter des Universums: ca Jahre

21 Die Geschichte des Universums Photo: ESO Image: NASA Ursprung der Materie Graphics: CERN

22 Dunkle Energie Image: SLAC/N. Rager Eine unbekannte Kraft bläst unser Universum immer schneller auf

23 Eine neue kopernikanische Wende Wir (und die gesamte bekannte Materie) sind eine verschwindende Minderheit im Universum!

24 Die Struktur der Materie Mensch: Entfernung zu benachbarten Sternen z.b. Sirius: km Atom: Mond Photo: NASA Proton: Kathedrale Photo: Bertrand Quark: Tischtennisball Graphics: DESY

25 Die elementaren Bausteine und Kräfte Elementare Kräfte elektromagnetische Wechselwirkung starke Wechselwirkung schwache Wechselwirkung Extrem erfolgreiche Arbeitshypothese: Was ist mit der Das Standardmodell der Gravitation? Elementarteilchenphysik Photo: ESA/NASA Photo: ESO

26 Der Urknall im Labor Graphics: CERN

27 HERA Tunnel Photo: DESY

28 Die Vereinheitlichung der Kräfte Graphics: DESY

29 Das Higgs-Teilchen Ein zentraler Baustein des Standardmodells fehlt noch: Graphics: FNAL Das Higgs-Teilchen erzeugt die Massen der Elementarteilchen!

30 Die Probleme des Standardmodells Es fehlt etwas: Das Higgs-Teilchen ist im Standardmodell für die Erzeugung der Massen zuständig. Leider wurde es noch nicht gefunden. Das Standardmodell lässt viele Fragen offen: Warum gibt es drei Generationen? Warum gibt es vier Wechselwirkungen? Was ist mit der Gravitation? Warum heben sich die elektrischen Ladungen von Elektron und Proton genau auf? ( ) Probleme ausserhalb des Standardmodells: Was ist die dunkle Materie? Was ist die dunkle Energie? Wir suchen also eigentlich eine zugrunde liegende umfassende Theorie der Welt!

31 Andere Welten: Supersymmetrie Gibt es Supersymmetrie? Graphics: DESY Dunkle Materie? Sollte es SUSY- Teilchen geben, dann sind sie im Urknall genauso entstanden wie die normale Materie Graphics: DESY

32 Andere Welten: Extra-Dimensionen Warum ist die Schwerkraft so schwach? Gibt es mehr als vier Dimensionen? Graphics: DESY

33 Extra-Dimensionen Zusätzliche Dimensionen müssten klein aufgerollt sein Graphics: Symmetry Magazine

34 Die Suche beginnt Die wichtigsten Aufgaben der Elementarteilchenphysik für die nächsten Jahre: 1. Den letzten fehlenden Baustein des Standardmodells finden: das Higgs Teilchen 2. Hinweise auf eine fundamentalere Theorie des Universums suchen: Dunkle Materie Dunkle Energie Augen auf fürs Unerwartete!

35 Ausblick Graphics: ILC

36 CERN Photo: CERN

37 LHC: Large Hadron Collider Proton-Proton Beschleuniger 14 TeV Kollisionsenergie 1232 supraleitende Dipolmagnete 600 Mio Teilchenkollisionen pro Sekunde! Graphics: CERN

38 CERN und LHC Photo: CERN

39 ATLAS Experiment Photo: CERN

40 ATLAS Experiment Photo: CERN

41 CMS Experiment Photo: CERN

42 Nah am Urknall - winzige Energien! Die LHC-Kollisionen simulieren das Universum, als es weniger als eine Billionstel-Sekunde alt war Die Energien sind trotzdem winzig! Die Kollisionsenergie von 14 TeV entspricht der Kollisionsenergie einiger Mücken! Die Energiedichte ist allerdings groß genug um die Suche nach dem Higgs-Teilchen oder nach SUSY zu ermöglichen! Graphics: DESY

43 Supraleitende Beschleunigung Photo: FNAL Beschleunigungsstrukturen Gekühlt mit flüssigem Helium 31,5 MV/m Beschleunigungsgradient

44 Event 44

45 Datenanalyse Daten: Selektion Reduktion - Analyse Karlsruhe

46 Data Handling and Computation for Physics Analysis detector event filter (selection & reconstruction) event summary data processed data raw data event reprocessing batch physics analysis analysis objects (extracted by physics topic) event simulation interactive physics analysis

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51 Der Mond Entfernung: ca km Photo: NASA