Teilchenphysik am CERN: die nächste Physikrevolution?

Transkript

1 Teilchenphysik am CERN: die nächste Physikrevolution? Christian W. Fabjan CERN und TU Wien Club Alpbach, Graz,

2 Überblick Ein Jahrhundert Teilchenphysik in 10 Minuten Teilchen und Kräfte Offene Fragen für das 21. Jahrhundert Mögliche Antworten Wo: am LHC des CERN Wie: mit Instrumenten, die cm sehen Cui bono? Fragen der und Antworten an die Gesellschaft

3 Physik im 20. Jahrhundert: Teilchen und Die kleinsten Bausteine der Materie:Quarks kleiner als cm

4 ie verschiedenen lemente bestehenaus tomen Elektronen und Kerne, ie aus Protonen Neutronen ufgebaut sind deren Struktur wir am CERN studieren

5 Vier fundamentale Kräfte Elektromagnetismus: Bindet Elektronen an den Kern; Chemie; Biologie Starke od. Kern-Kraft: bindet Kerne, Quarks im Proton Schwache Kraft: verantwortlich für Radioaktivität zusammen lassen sie die Sonnne Scheinen! Schwerkraft: Formt Planeten, Sterne, Galaxien

6 Standardmodell (SM) der Teilchenphysik: Materie (+Antimaterie) Kräfte Bei CERN-LEP ( ) mit 0.01% Genauigkeit getestet und für perfekt befunden. LEP 3 Teilchenfamilien Higgs Teilchen, verantwortlich für die

7 Standardmodell der Teilchenphysik Bei LEP mit 0.01% Genauigkeit getestet und für perfekt befunden. Higgs Teilchen, verantwortlich für die Masse der Quarks und Leptonen. Muss bei LHC zu finden sein

8 Status des Standard Modell s Perfekte Übereinstimmung mit allen experimentellen Beobachtungen Vorausgesetzt, dass eine fehlende Zutat gefunden wird Konsistenz mit experimentelle Daten nur, wenn das Higgs Teilchen gefunden wird Mit der nächsten Maschine am CERN Large Hadron Collider, LHC sollte dieses Teilchen, falls es existiert, nachgewiesen werden Experimentellen Daten deuten auf ein relativ leichtes Higgs Teilchen, circa 150 mal der Masse eines Protons Higgs Teilchen wäre Materie-Manifestation eines universellen Feldes, das das gesamte Universum durchdringt: Wechselwirkung von Elementartelchen mit dem Higgs-Feld gäbe den Teilchen deren Masse

9 Woher kommt Masse der Teilchen? ewton: ewicht proportional zu Masse photon instein: 0 nergie mit Masse verbunden Mass eide Konzepte erklären nicht rsprung der Masse Ist das Higgs Boson verantwortlich für die Masse der Teilchen? (noch ein weiteres Teilchen!)

10 Wie funktioniert das? The `vacuum is a non-trivial medium

11 Wie funktioniert das? Particle excites the `vacuum

12 Wie funktioniert das? Particle slowed down = gains mass

13 Wie funktioniert das? A rumour excites the `vacuum medium

14 Wie funktioniert das? A rumour excites the `vacuum medium The excitation crosses the room = the Higgs boso

15 Hinweis auf Higgs Masse Von Präzisionsmessungen der W LEP & Tevatron Wahrscheinlichkeitsverteilung der Higgs Masse

16 Teilchenphysik = Physik des Universums Epoche der Kernmaterie! Urmaterie

17 Lebensspendende Kernkraft α Kopplungskonstante α ist Maß für die Stärke der Kraft Kernkraft spendet lebensnotwendige Wärme Kernkraft verantwortlich für lebensnotwendige schwere Elemente : (Sauerstoff, Kalzium, Eisen) Diese Elemente werden am Ende einer kosmischen Generation in kosmischen Explosionen ( Supernovae ) gekocht

18 α = ± α = zu schwach, um Protonen und Neutronen zu Elementen zu binden α = zu stark; gäbe nur schwere Elemente, aber kein Wasserstoff Synthese von lebensnotwendigem Kohlenstoff 3 Heliumkerne fusionieren auf Grund der Kernkraft funktioniert nur, wenn α = ± (± 0.5 %!)

19 Zwischenakt: wie studieren wir Teilchen und Kräfte? Zwei Konzepte unter Benützung von Teilchenbeschleunigern Teilchen als Welle: Mikroskop Teilchen mit Energie E hat eine Wellenlänge assoziiert: De Broglie Wellenlänge λ hc / E Beschleuniger wird als Mikroskop verwendet Mit dieser Methode wurde der Atomkern entdeckt, der Quarkaufbau der Protonen und Neutronen Teilchenkollision konzentriert Energie: Erzeugung neuer Teilchen E = M c 2 Beim LHC werden wir beide Konzepte benützten

20 Wie kann man die Strukture der Atome sehen? Beschleuniger sind Supermikroskope! s dem gestreuten Licht einer Lampe sieht man die Struktur der Hand s der Streuung hochenergetischer Teilchen sieht man die Struktur der Materie Durch den allgemeinen Welle-Teilchen Dualismus kann man einem Teilchen eine Wellenlänge zuordnen (λ=h/p). Höhere Teilchenenergie kleinere Wellenlänge

21 Die Struktur der Materie Optisches Mikroskop Radioaktive Quelle LEP Beschleuniger Sichtbares Licht Alpha teilchen Elektronen 10-6 m m m LHC Beschleuniger: mal kleinere Details!

22 E=mc 2 e+, e- Kollisionen am Large Electron Positron Collider ( ) Proton-Proton Kollisionen am Large Hadron Collider (2008- ) Masse = 0.5MeV Masse = MeV Z 0 ( Higgs?) Masse = 0.5MeV e+ (Proton) (Proton) e- P= GeV/c P=7000 GeV/c P= GeV/c P=7000 GeV/c

23 CERN Beschleuniger (nicht maßstabsgerecht)

24 Large Hadron Collider (LHC) 27 km Umfang, 100 m unter der Oberfläche; 4 Experimente

25 Einer von 1200 Dipolmagneten: 9 Tesla bei 1.9 Kelvin betrieben

26 LHC: 27km supraleitende Magnete 1200 Supraleitende Dipol-Magnete Ampere

27 The Large Hadron Collider (LHC) Proton- Proton und Pb-Pb Kollisioneur 7 TeV + 7 TeV 1,000,000,000 Kollisionen/Sek Jede Kollision gibt genug Energie ab um ~ Protonen zu erzeugen

28 Teilchendetektoren wie Zwiebelschalen angeordne Jede Lage von Detektoren ist für einen ganz bestimmten Teilchennachweis optimiert

29 CMS Experiment Compact Muon Solenoid

30 CMS Experiment

31 LICE: Primordiale Ur-Materie ATLAS: Higgs und Supersymm

32 Simulation eines Higgs Ereingnisses

33 Ein Higgs in Kollisionen uf der suche ach der Nadel m Heuhaufen Beispiele für Higgs Signale γγ Higgs -> ZZ* -> 4 leptons ττ

34 Die grossen Physik-Fragen des 21. Jahrhunderts Was ist der Ursprung der Masse der Elementarteilchen, Higgs Teilchen? Ist unsere Welt supersymmetrisch? Was sind die Eigenschaften der Ur-Materie? Was ist der Grund für die die Materie-Antimaterie Asymmetrie im Universum? Woraus besteht die dunkle Masse und die dunkle Energie im Universum? LHC LHC LHC LHC LHC Wie kann man die Quantentheorie der Elementarteilchen und die Allgemeine Relativitätstheorie der Gravitation vereinigen?

35 Ist unsere Welt supersymmetrisch? Konzept würde Kräfte vereinigen Bezieht sich auf die Rotationsgeschwindigkeit der Teilchen 0 ½ 1 3/2 2 Higgs Elektron Photon Gravitino Graviton (Teilchen sind Ballett-Tänzer ) Jedes Teilchen findet SUSY Partner Würde SM in natürlicher Weise verbessern Würde Beitrag zur Vereinheitlichung der Fundamentalkräfte liefern Könnte Erklärung für beobachtete Dunkle Materie liefern

36 Vereinigung der Kräfte in einer SUSY- Welt SM SUSY LHC

37 Auf dem Wege zur Vereinigung der Fundamentalen Kräfte stark schwach EM elektroschwach 1984 Wie können die 4 Kräfte zusammenge -fasst werden? elektrostark Superkraft Maxwell Gravitation???

38 Ur-Materie aus Quarks und Gluonen bis einige Mikrosekunden nach dem Ur-Knall Beim LHC werden wir in Blei-Blei-Kollisionen die Kernmaterie 13

39 Materie Antimaterie Rätsel Existenz der Antimaterie von Dirac vorausgesagt: selbe Masse entgegengesetzte interne Eigenschaften: elektrische Ladung, Entdeckt in der Kosmischen Strahlung Studiert, produziert an Beschleunigern Energie -> Materie + Antimaterie Materie + Antimaterie -> Energie -> Strahlung

40 Wo ist die Antimaterie geblieben? Aus dem Ur-Knall entstanden Materie und Antimaterie in perfekter Symmetrie Ungefähr Sekunden danach wurde diese perfekte Symmetrie verletzt Materie und Antimaterie haben sich gegenseitig zerstrahlt => Kosmische Untergrund-Strahlung Verschont blieb 1 Materieteilchen in 1 Milliarde Stoff unseres Lebens

41 Materie- Antimaterie Wegen minimaler Verletzung der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie hat ein Materieteilchen in einer Milliarde überlebt. Der Mechanismus dieser Symmetreiverletzung ist uns nur teilweise bekannt; wird am LHC studiert werden Perfektion wäre tödlich gewesen!

42 Das mysteriöse Rezept unseres Universums Über ~5% wissen wir nicht wie und warum Über ~95% wissen wir nicht einmal was

43 Schwarze Löcher am LHC? Falls erzeugt, beobachtbar Lebensdauer und Energie zu gering, um in Kontakt mit Materie zu treten Kosmische Strahlung energetischer als LHC -> kein Hinweis auf Fortpflanzung von Mini-Schwarzen Löchern

44 Bei welchen Energie Neue Physik? Origin of mass Dark matter Kann direkt am LHC studiert werden Indirekt messbar? via Kosmologie?

45 ERN in Zahlen 2415 staff 730 Fellows and Associates 9133 users Budget (2007) 982 MCHF (610M Euro) Aufgaben: Bau, Betrieb von Beschleunigern Forschung Ausbildung Technologie Entwicklung, Transfer * Member States: Austria, Belgium, Bulgaria, the Czech Republic, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Italy, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. Observers to Council: India, Israel, Japan, the Russian Federation, the United States of America, Turkey, the

46 Nationen von CERN Forschern, 2/2008

47 Grundlagenforschung als Motor der Angewandten Forschung Entwicklung von Techniken zur Datenkommunikation (WWW am CERN entwickelt) Anwendung der Beschleunigertechnik in der Medizin Anwendung der Detektortechnologie in der Medizin (Medipix, Kristalle) Entwicklung von Hochtechnologie für die Industrie

48 Erster Server at CERN Erster Web-Zugriff in Kalifornien 19 CERN: Geburtsort des World-Wide Web Tim Berners-Lee: der Erfinder

49 Informatik für LHC Experimente Balloon (30 Km) 1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde Milliarden Kollisionen pro Jahr CD stack with 1 year LHC data (~ 20 Km) Darunter ca Higgs Teilchen erwartet Nach Filterung, 100 interessante Kollisionen pro Sekunde und pro Experiment aufgezeichnet Concorde (15 Km) 10 Megabyte digitalisierte Daten pro Kollision: Schreibrate: 1 Gigabyte/sec 1 Milliarde Kollisionen pro Jahr aufgezeichnet Gespeicherte Daten 10 Pentabyte/Jahr Mt. Blanc (4.8 Km) GRID: Weiterentwicklung des Internet

50 Vom Web zum GRID Konfiguration virtueller Rechner-Systeme nach Bedarf Web: Zugriff auf Information rid: Zugriff zu allen formatik Strukturen Software catalogs Computers Sensor nets Colleagues Data archives

51 Das GRID in Aktion The LHC Grid in 2007: several 10,000 PC s 100 local & national computing centers 4 continents usable via the web like a single VERY large computer

52 Medizinische Bildgebung: Positron-Emission-Tomograph Photonen mit Kristallen oder Spurendetektoren nachgewiesen

53 CERN Technologie Transfer Silizium-Detektoren für Medizinische Bildgebung Medipix Pixel Detektor für strahlungsarme Röntgendiagnostik Beschleuniger-Technologie für Radioisotopen-Produktion; Krebsbehandlung (MedAustron)

54 Hochtechnologieentwicklung mit Industrie Direkte Industrielle Anwendung: Magnet Resonanz Tomographie Kabel/Spule sind Hauptkostenfaktoren; Entwicklung ausgelöst durch Entwicklung superleitender Magnete für Beschleuniger Verringerte Kosten über Höhere Stromdichte und damit geringeres Spulenvolumen. Effizientere Litzenherstellung ein Markt in Mrd.- Höhe. 54

55 MedAustron für Krebstherapie Wird zusammen mit einem CERN-Team entwickelt Abmaße des Behandlungsbereichs: m² CERN, Michael Benedikt 55

56 Architektonischer Entwurf 56

57 Zusammenfassend Eines der größten wissenschaftlichen Abenteuer wird in wenigen Monaten die Früchte einer fast 20-jährigen Vorbereitungszeit zu ernten beginnen Erwartet werden tiefe Einsichten in unser naturwissenschaftliches Weltbild Die fruchtbare Symbiose zwischen Teilchen und Kosmos sollte uns einen weiteren Schritt im Verständnis unseres eleganten, feinabgestimmten Universums erlauben Europa darf stolz sein, dass aus den Aschen des Krieges die weltweit-führende Forschungsinstutition entstanden ist: täglicher Beweis, dass wissenschaftlich-intellektueller Wettstreit alle Völker verbinden kann

58 Danke für Ihre Aufmerksamkeit