Der Teilchenbeschleuniger. am CERN in Genf

Transkript

1 Genf Der Teilchenbeschleuniger CERN am CERN in Genf Frankreich

2 CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire European Center for Particle Physics F CH

3 CERN-Nutzer Europa: Sonst: 267 Institute, 4306 Nutzer 208 Institute, 1632 Nutzer

4 CERN Weltgrößtes Labor für Elementarteilchenphysik 6000 Wissenschaftler 800 Millionen Euro / Jahr

5 - Universitäten und Forschungszentren sind wichtigeentwickler und Multiplikatoren zur Verbreitung neuer Techniken. CERN Spin-Off World Wide Web - eine Erfindung bei CERN Tim Berners-Lee Internet für alle! Das WWW wurde 1990 am CERN erfunden, um den Daten- und Informationsaustausch innerhalb der Forschergruppen effektiver zu gestalten. Rasch breitete es sich auf andere Wissenschaftszweige aus. Heute ist es ein wichtiger Bestandteil der globalen Infrastruktur (300 Millionen Nutzer). Lehren: - Spitzenforschung erfordert Entwicklung neuer Methoden und Produkte, die weit einsetzbar sind.

6 Tumor-Bestrahlung mit leichten Ionen Mit leichten Ionen lässt sich die Bestrahlung so dosieren, dass der Tumor zerstört wird, ohne das gesunde Gewebe zu schädigen. GSI Darmstadt

7 PET Funktionsweise

8 CERN Prominenz Nobelpreisträger C. Rubbia (1984), S. Ting (1976), G. Charpak (1992) (Teilchendetektor) Carlo Rubbia und Simon van der Meer Nobelpreis 1984 (Entdeckung W und Z )

9 Langjährige Zusammenarbeit CERN - RWTH

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11 Die Struktur der Materie = 1 fm Elektromagnetische Wechselwirkung) Kernkraft = starke Wechselwirkung

12 Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems Neutrino Elektron Leptonen Atom aus Elektronen und Kern up-quark down-quark Kernbausteine = Nukleonen: Kern aus Nukleonen p = Proton = u + u + d n = Neutron = u + d + d Nukleon aus Quarks Grundbausteine sind punktförmig : Elementarteilchen

13 Standardmodell der Teilchenphysik Materie: Leptonen: viele Teilchen instabil! Quarks: Wechselwirkungen: Austauschteilchen: elektromagnetisch: schwach: stark: Photon γ masselos Z-Boson Z 91 GeV W-Boson W + W - 80 GeV Gluon g masselos Experimentellen Daten werden akkurat beschrieben!

14 Fundamentale Wechselwirkungen n p n n n p n p p n n p p p p n q q schwächste 'Kraft' im Mikrokosmos völlig unbedeutend

15 Energie und Masse Energie-Einheit ev = Elektronenvolt 1GeV = 10 9 ev J Energie und Masse 2 E = mc c = km/ s Energie kann in Masse umgewandelt werden und umgekehrt! Protonmasse ˆ=1 GeV

16 Teilchenbeschleuniger Untersuchung kleinster Materiestrukturen oder schwerer Teilchen verlangt Beschleunigung von Teilchen auf höchste Energien Heisenberg'sche Unschärferelation x p h E = m c 2 Einstein Linearbeschleuniger : 2 miles Wiederholtes Beschleunigen: ev = 10 3 ev = ev = 10 6 ev = ev = 10 9 ev = ev = ev = 1 kev 1 MeV 1 GeV 1 TeV Stanford Linear Accelerator ca. 50 GeV

17 Teilchenbeschleuniger: Elektronen: 20 kev elektrisches Feld magnetisches Feld ca. 1 Tesla = 1 T beschleunigt oder lenkt ab lenkt (stark) ab

18 Teilchenbeschleuniger Weiterentwicklung zu Kreisbeschleunigern und Kollidern

19 Teilchenbeschleuniger Grosse Beschleuniger- Zentren weltweit: physikalische Entdeckungen/Verständnis Durchbruch bei Detektor- und/oder Beschleunigertechnologie

20 Elektron-Positron-Kollider LEP am CERN 200 GeV

21 1.2 Der weltgrößte Teilchenbeschleuniger LHC Eine Zeitmaschine für die Reise zurück zum Urknall LHC = Large Hadron Collider (2007)

22 LHC = Large Hadron Collider p p Large 27 km, GeV = 14 TeV p Hadron Proton p Collider p p 1200 Dipolmagnete, supraleitend je 14 m lang, B = 8Tesla Größe wächst mit Energie!

23 Cryogenic magnet test station

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25 Fertiges Beschleunigersegment

26 LHC = Large Hadron Collider p p Large 27 km, GeV = 14 TeV p Hadron Proton p Kollisionspunkte Collider Detektoren p p 1200 Dipolmagnete, supraleitend je 14 m lang, B = 8Tesla Größe wächst mit Energie!

27 "Bilder" der Teilchenkollisionen typisches Ereignisbild in den ern 70ern......

28 Zukunft:CMS-Detektor am LHC (Large Hadron Collider) ab 2007 Proton-Proton-Beschleuniger Schwerpunktsenergie GeV CMS-Detektor

29 CMS-Detektor: Funktionsprinzip Größe wächst mit Teilchenenergie!

30 Aachener Beteiligung am CMS Detektor Innere Spurkammern (Silizium) Myon- Detektor

31 CMS-Detektor: Aachener Beteiligung 1 m großflächige Myondetektoren hochauflösende Silizium-Detektoren

32 CMS-Detektor am LHC

33 CMS Caverne 80 m unter der Erde

34 Das Standardmodell der Teilchenphysik Materie-Teilchen: Leptonen: 3 Familien Quarks: leicht schwer sehr schwer Kräfte = Wechselwirkungen: stark: Gluon g masselos elektromagn.: Photon γ masselos schwach: W-,Z-Boson sehr schwer Offene Fragen: Teilchenmassen?? Gravitation?? Higgs-Boson Supersymmetrie

35 Die Massen der Elementarteilchen Beispiele: EXPERIMENT m e = kev m m W Z ± GeV = ± GeV = ±

36 Die Massen der Elementarteilchen Beispiele: EXPERIMENT m e = kev m e THEORIE =0 m m W Z ± GeV = ± GeV = ± m m W Z = 0 0

37 Die Massen der Elementarteilchen P.Higgs Beispiele: EXPERIMENT m e = kev m e ERWEITERTE THEORIE =... > 0 m m W Z ± GeV = ± GeV = ± m m W Z... =... = > > ± Bisher nicht gefunden: m Higgs > 114GeV LHC! Neues Teilchen: Higgs

38 Der Higgs-Mechanismus - eine Analogie (I) Higgs-Hintergrundfeld erfüllt den Raum Ein Teilchen im Higgs-Feld Widerstand gegen Bewegung... Trägheit Masse

39 Der Higgs-Mechanismus - eine Analogie (II) Anregung des Hintergrundfeldes angeregtes Higgs-Hintergrundfeld massives Higgs-Bosons

40 LEP-Detektor L3 Z-Resonanz m Z / m Z = ± N ν = ±

41 Vorhersage der Higgs-Masse inzwischen gemessen Vergleich Präzisionsmessung Korrektur Vorhersage der Higgs-Masse

42 Die Suche nach dem Higgs Herausforderung: EXPERIMENTUM CRUCIS Ein Higgs in Kollisionsereignissen!

43 Simuliertes Higgs-Ereignis Higgs Z 0 µ µ µ µ

44 Elementarteilchen CERN Beschleuniger LHC Urknall Zeitmaschine? Frühes Universum und Teilchenphysik Dunkle Materie

45 D E R U R K N A L L Hochenergie-Beschleuniger

46 Elementarteilchen im frühen Universum t = s E = 100 GeV Teilchenbeschleuniger! Heiße Elementarteilchen-Suppe! Welche Teilchen gibt es? Wie wechselwirken sie?

47 Elementarteilchen im frühen Universum t = s E = 100 GeV Teilchenbeschleuniger! χ χ χ Heiße Elementarteilchen-Suppe! Welche Teilchen gibt es? Wie wechselwirken sie? Dunkle Materie = Neutralinos??? χ LHC!

48 Zusammenfassung wir wollen verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält wie das frühe Universum sich entwickelte LHC

49 Besuch von Ministerin Bulmahn Arbeiten am Teststrahl

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51 Zusammenfassung wir wollen verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält wie das frühe Universum sich entwickelte LHC