Quarks, Quanten und Quasare- Bausteine des Universums
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- Leonard Vogel
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1 Quarks, Quanten und Quasare- Bausteine des Universums Siegfried Bethke Max-Planck-Institut für Physik (Werner Heisenberg Institut) München Dimensionen und Struktur der Materie Materie und fundamentale Kräfte Teilchenphysik und Kosmologie Sonden zur Auflösung kleinster Strukturen Beschleuniger, Experimente und Resultate die Zukunft: der Large Hadron Collider
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3 Physikalische Grundlagenforschung Mikrokosmos Makrokosmos Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 3
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6 Woher wissen wir dies alles? Wie kann man Quarks und Leptonen sehen? Wie kann man die zwischen ihnen wirkenden Kräfte erforschen und theoretisch beschreiben? (eine mögliche, aber nicht sehr wissenschaftliche Methode...) Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 6
7 Das Universum vor 13.4 Mrd. Jahren Anisotropien in der Temperaturverteilung des Kosmos (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) T 20 μk (Abweichung von 2.7 K Hintergrundstrahlung) Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 7
8 (Film: WMAP & Entwicklung des Universums) Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 8
9 die leuchtkräftigsten, am weitesten entfernte Objekte im Universum: Quasare (quasi stellar radio sources) Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 9
10 Quasare extrem leuchtstarke Punktquellen meist eingebettet im Zentrum einer Galaxie vermutlich gespeist durch extrem massereiches schwarzes Loch (Milliarden von Sonnenmassen) und darin einfallende Materie Entfernungen: ~ 1 13 Mrd. Lichtjahre > Blick auf junge Galaxien Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 10
11 Mikrokosmos Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 11
12 Sonden zur Auflösung kleinster Strukturen Auflösung subnuklearer Strukturen } Hohe Energien (Kleine Wellenlängen) der 'Sonden' s 1/ Kleinster noch trennbarer Abstand zweier Objekte Wellenlänge der 'Sonde': z.b. Licht, Elektronen, Protonen Energie der Sonden elektromagn. Welle: E = h = h c massives Teilchen: E=m c 2 h c = h m c Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 12
13 Sonden zur Auflösung kleinster Strukturen Sonde, Instrument typ. Energie Auflösung bis ca. auflösbare Objekte sichtbares Licht ev 10-6 m Viren Röntgenstrahlung; Elektronenmikroskop 10 kev m Atome, Kristallstrukt. niederenergetische Teilchenbeschleuniger Moderne Teilchenbeschleuniger (LEP, HERA) 100 MeV m 100 GeV m Atomkern Quarks & Co. Zukunft: - Large Hadron Collider (in Bau; Start 2007) 14 TeV m???? Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 13
14 Europäisches Zentrum für Teilchenphysik CERN / Genf ATLAS L3 SPS Alice LEP / LHC ALEPH CMS OPAL LHCb DELPHI LEP: e + e Kollisionen LHC: p p Kollisionen ab 2007 Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 14
15 LEP-Tunnel Umfang: 27 km Tiefe: ca. 100 m Quadrupol-Magnete (Fokussierung) Dipol-Magnete (Kreisbahn) Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 15
16 Teilchendetektor am LEP: OPAL Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 16
17 e + e Vernichtungsreaktionen, gemessen mit OPAL bei LEP: Quantenmechanik: Jedes Mal passiert etwas anderes! zum Beispiel: e + μ +, Z 0 e e + e > μ + μ e e + μ q, Z 0 q e + e > q q oder qqg q q g Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 17
18 Einige Highlights von LEP & Co: = ± Resonanzlinie des Z 0 bei LEP: es gibt genau 3 Neutrino- (Teilchen-) Familien! M Z = ( ± ) GeV (...nach Korrektur auf Mondphasen und TGV-Fahrplan) exp. Tests des Standardmodells der Teilchenphysik im Promillebereich Präzisionsmessungen der Stärke der Starken Kraft: s läuft ; Beweis der Asymptotischen Freiheit, des Confinement und damit der QCD! Nobelpreis 2004 Grenzen für die Masse des Higgs-Boson (bisher unentdeckt, aber von Theorie vorhergesagt): GeV < M H < 185 GeV Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 18
19 Das Standardmodell der Teilchenphysik... beschreibt die vereinheitlichte Elektroschwache Wechselwirkung und die Starke Wechselwirkung mit eichinvarianten Quantenfeldtheorien ist extrem erfolgreich in konsistenter und präziser Beschreibung der bis heute beobachteten Teilchenreaktionen... kann jedoch nicht die ultimative Theorie sein: es versagt bei sehr hohen Energien (Unitaritätsverletzung) > es muss etwas passieren im Bereich E ~ 100 GeV 1 TeV es hat zu viele freie Parameter (Kopplungsstärken, Massen,...) es lässt viele fundamentalen Fragen offen: Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 19
20 fundamentale offene Fragen: 1. Was ist der Ursprung der Masse? - Existiert das Higgs Teilchen? - Falls nein, wie sonst erhalten die Teilchen Masse? 2. Warum gibt es 3 Quark-/Leptonfamilien? Warum ist (Ladung des e - ) = -(Ladung des p)? 3. Wo ist die Antimaterie im Universum? 4. Gibt es eine Universalkraft als gemeinsame Urkraft? -> GUT 5. Gibt es bisher unbekannte Formen von Materie? - Ist unsere Welt supersymmetrisch? - Besteht die dunkle Materie aus dem leichtesten supersymmetrischen Teilchen? 6. Gibt es verborgene Raumdimensionen? - warum ist Gravitation so viel schwächer als die anderen Kräfte?... Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 20
21 Astrophysik und Kosmologie : t 0 = 13.7 ± 0.3 Gyr (Alter des Universums) 0 = 1.02 ± 0.02 ( 0 = / kritisch ; : Dichte) M = 0.27 ± 0.04 (Materiedichte) B = ± (baryonische Materie) S = (Sterne; leuchtende Materie) DM = 0.22 ± 0.04 (Dunkle Materie, DM = M - B ) X = 0.73 ± 0.04 (Dunkle Energie, X = 0 - M ) Kandidaten für Dunkle Materie: - HDM: massive Neutrinos - CDM: Axions, SUSY-WIMPs Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 21
22 if it s not dark it doesn t matter Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 22
23 Beantwortung der (meisten) offenen, fundmentalen Fragen: Der Large Hadron Collider (LHC) Proton-Proton Beschleuniger im LEP-Tunnel am CERN p p 7 TeV 7 TeV - Höchste Energien pro Kollision - Höchste Luminositäten Vier geplante Experimente: ATLAS, CMS (pp-physik) LHC-B (Physik der b-quarks) ALICE (Pb-Pb Kollisionen) Gebaut in einer internationalen Kollaboration aus 34 Ländern Geplante Inbetriebnahme: 2007
24 Der Large Hadron Collider (LHC) Proton Proton Kollisionen: 2835 x 2835 Pakete (bunches) Abstand: 7.5 m ( 25 ns) Protonen / bunch Kreuzungsrate der p-pakete: 40 Mio. mal / sec. Luminosität: L = cm -2 sec -1 Proton-Proton Kollisionen: ~10 9 / sec (Überlagerung von 23 pp-wechselwirkungen während einer Strahlkreuzung) ~1600 geladene Teilchen im Detektor hohe Anforderungen an die Detektoren Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 24
25 Film: LHC & ATLAS - Beschleuniger und Detektor
26 LHC Tunnel (12/2005) Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 26
27 ATLAS am Large Hadron Collider / CERN Konstruktion & Bau bis 2006, Betrieb ab 2007, Laufzeit ~ Jahre Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 27
28 ATLAS Cavern (02/2004) Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 28
29 ATLAS Cavern (08/2005) Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 29
30 ATLAS Cavern (05/2006) Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 30
31 ATLAS Collaboration (As of March 2006) 35 Countries 158 Institutions 1650 Scientific Authors total Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bologna, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Buenos Aires, Bucharest, Cambridge, Carleton, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, TU Dresden, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Giessen, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, UN La Plata, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, McGill Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, Oklahoma SU, Oregon, LAL Orsay, Osaka, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia, UBC Vancouver, Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine Victoria, des Universums Washington, ACHEMA Weizmann Frankfurt/M Rehovot, 14. Wisconsin, Mai 2006 Wuppertal, S.Bethke Yale, MPI für Yerevan Physik, München 31
32 Aufbau und Funktionsweise des ATLAS Detektors Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 32
33 LHC Data and Computing the challenge: 40 MHz collision rate > unfiltered data flow ~ B/s 4 experiments; Hz data taking rate raw event size: 0.12 / 1 / 1-25 MB (LHCb / ATLAS-CMS / ALICE) total raw data storage: 7 PB/a total simulated Data storage: 3.2 PB/a (~10 Billion phone calls) ( Bytes/year; km thick pile of A4-paper) world-wide* tape storage: 28.5 PB/a (40 million CD-Rom s) world-wide* disk storage: 10.4 PB/a (140k disks à 75 GB) world-wide* CPU capacity: 7350 k SI-95 (360k today s PCs) WAN bandwidth (Tier-0/-1): 1500 Mbps (1 experiment) (5000 Mbps when serving all 4 exp. s) * all Tier-0, Tier-1 and Tier-2 computing centres, excl. Tier-3 and -4 Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 33
34 The LHC Data Grid München Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 34
35 LHC Run Start: 08/ wir hoffen auf viele Entdeckungen! Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 35
36 The End Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 36
37 Film: Status von LHC & ATLAS Quarks, Quanten und Quasare - Bausteine des Universums ACHEMA Frankfurt/M 14. Mai 2006 S.Bethke MPI für Physik, München 37
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