Dies und das über CERN (was machen wir hier eigentlich? und wer?) -...Beschleuniger Experimente

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1 Dies und das über CERN (was machen wir hier eigentlich? und wer?) -...Beschleuniger Experimente

2 Teilchenphysik weltweit Die grossen Fünf : Amerika: SLAC (Stanford Universität, Kalifornien) FNAL (Fermilab, bei Chicago) Europa: CERN (Genf) DESY (Hamburg + Zeuthen) Asien: KEK (ca. 100km nördlich von Tokio) 2

3 Das CERN-Gelände (bei schönem Wetter) Mt. Blanc (4808 m) Die Alpen Genfer See Genf Flughafen Wir sind hier CERN 3

4 CERN CERN = Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Europäische Organisation für Kernforschung) heute: europäisches Zentrum für Teilchenphysik Gegründet 1954 von 12 Ländern mit West-Deutschland Heute: Die 20 Mitglieds-Staaten des CERN 20 Mitglieds-Staaten auch nicht-eu Länder Schweiz, Norwegen unabhängig von der EU 4

5 Finanzierung und Aufgaben CERN Budget ca. 1 Mrd. Franken pro Jahr (~600 Mill. Euro) aufgewendet durch die 20 Mitglieds-Staaten deutscher Anteil ca. 20% (Aufteilung nach Bruttosozialprodukt) Hauptaufgabe (reine Grundlagenforschung) Erstellung und Betrieb von Infrastruktur für die europäische (+weltweite) Teilchenphysikforschung grosse Beschleunigeranlagen und Experimentierzonen Bau und Durchführung der Experimente i.a. durch Hochschulgruppen aus den Mitglieds-Staaten ( Benutzer ) Ausbildung Programme für Sommerstudenten (6./7. Semester), (technische) Diplom/Master-Studenten, (technische) Doktoranden, Post-Docs (Fellow-Programm), Senior-Programme 5

6 CERN Organisation Direktorium General-Direktor: Robert Aymar Wissenschaftlicher Dir.: Jos Engelen Finanzdirektor: Sigurd Lettow Erweitertes Management Generalsekretär: Max Metzger LHC-Projektleiter: Lyn Evans Abteilungen Personal Finanzen Beschleunigerbetrieb Beschleunigertechnologie Technik Informationstechnologie Physik 6

7 CERN-Benutzer ca CERN-Angestellte (deutscher Anteil ca. 8%) und weltweit etwa 8300 Benutzer (ca. 10% aus Deutschland) 7

8 CERN-Forschungsschwerpunkte Forschungsschwerpunkte am CERN Elementarteilchenphysik bei höchsten Energien (Hochenergiephysik) derzeit Bau des weltgrößten Teilchenbeschleunigers LHC (Large Hadron Collider, Fertigstellung 2008) mit 27 km Umfang 4 grosse Teilchendetektoren in unterirdischen Kavernen, ca. 100 m Tiefe Ziele: Nachweis des Higgs-Teilchens, Suche nach neuen Elementarteilchen (Bestandteil der dunklen Materie im Universum?) Weitere Forschungen in den Bereichen Erzeugung und Untersuchung von Antimaterie, (radioaktiver) Isotope 8

9 CERN-Beschleuniger ~8 km CERN-Prevessin Frankreich CERN Hauptgelände SPS Beschleuniger Schweiz LHC Beschleuniger (etwa 100m unter der Erde) 9

10 Eine wesentliche Aufgabe: Bau und Betrieb von Beschleunigern 7 TeV 5 LHC Die CERN Teilchen-Beschleuniger: mehr als 50 km Tunnel unter der Erde 450 GeV 4 SPS 5 26 GeV 3 4 PS 1.4 GeV 2 BOOSTER 2 50 MeV 1 LINAC2 3 1 PROTONS Start 10

11 LHC Der LHC wird 2008 fertiggestellt und wird für viele Jahre laufen ATLAS CMS LHCb ALICE 11

12 Technologische Herausforderungen Bau und Betrieb von Beschleunigern und Detektoren erfordert Spitzentechnologie mit völlig neuen Herausforderungen >20 km supraleitende Magnete bei LHC mit supraflüssigem Helium (1.8 K), 9 T Magnetfeld Supraleitung, Cryotechnologie, Materialforschung, Hochfrequenztechnologie, Vakuumtechnologie, elektrische Netzwerktechnologie, Systemsteuerung und -kontrolle u.v.m. LHC-Teilchendetektoren, Speicherung und Verarbeitung von immensen Datenmengen (ca. 10 PetaByte pro Jahr nach Reduktion der Rohdaten um Faktor 200'000) präzise und zugleich robuste (strahlenharte) Teilchendetektoren, schnelle Elektronik, Entwicklung neuer Computertechnologien/vernetzung und Software, GRID u.v.m. 12

13 LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug (1 μ J) Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser 13

14 Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Elektronen-Erzeugung Fokussierung Beschleunigung durch elektrische Spannung (Fast) jeder hat einen (kleinen) Teilchenbeschleuniger zuhause Nur die Energien sind unterschiedlich Fernseh-Bildröhre: 20'000 V LHC-Beschleuniger: 7'000'000'000'000 V Beschleunigungsstrecke über Hochfrequenz Ablenk-Magnet Ablenkung Vakuum Fokussier-Magnet Vakuum-Rohr Einschuß von einem Vorbeschleuniger Kollisions-Punkt, Teilchen-Detektor 14

15 Methoden der Teilchenphysik Einstein (1905): Materie ist konzentrierte Energie! Materie läßt sich in Energie umwandeln und umgekehrt! Beschleunigte Teilchen Detektor zum Nachweis neuer Teilchen E = m c2 Dies nutzen wir bei einem Teilchenbeschleuniger Protonen werden beschleunigt Energie Umwandlung der Energie bei der Kollision in Materie Neue Teilchen entstehen (neue Materie) 15

16 Spuren aus dem Zerfall eines HiggsTeilchens in einem LHC-Teilchendetektor Die zwei Protonen-Strahlen beim LHC werden 40 Millionen Mal pro Sekunde frotal miteinander kollidieren Computer Simulation einer Kollision mit Entstehung eines Higgs-Teilchens (ATLAS-Detektor) Aber wir erwarten nur ein einziges Higgs-Teilchen bei 1'000'000'000'000 Kollisionen 16

17 Teilchen-Detektoren Wie funktioniert eigentlich ein Teilchen-Detektor? Früher ( ): Teilchen hinterlassen Spuren aus kleinen Bläschen in einer Flüssigkeit (Blasenkammer) Die Spuren werden fotografiert und anschliessend (optisch) vermessen: Richtung, Zerfälle instabiler Teilchen, Impuls (über Krümmung in einem Magnetfeld) Heute: Alles geht elektronisch! Und viel schneller!!! Die Teilchen hinterlassen Signale in Siliziumchips, gasgefüllten Röhrchen mit Drähten, die digitalisiert und mittels Computern verarbeitet werden. Es entstehen enorme Datenmengen: Die vier LHC Experimente werden ca. 1.6 GByte an Daten speichern, IN DER SEKUNDE! 17

18 LHC-Detektoren: CMS Ein etwas größerer Teilchen-Detektor: CMS 18

19 LHC-Detektoren: ATLAS Ein noch etwas größerer Teilchen-Detektor: ATLAS 19

20 Ein typischer LHC-Detektor Schnitt durch den CMS Detektor: Was machen die Teilchen im Detektor? 20

21 Das World-Wide-Web Teilchenphysik bedeutet Umgang mit SEHR viel Daten und Informationsaustausch mit vielen anderen Physikern An jedem LHC Experiment sind zwischen einigen Hundert und bis zu 2500 Physiker beteiligt Planung, Bau und Betrieb der LHC Experimente geht über Jahrzehnte: Ende der achtziger Jahre: Erste Studien über mögliche Experimente und Detektoren neunziger Jahre: Entwicklung und Test von Prototyp-Detektoren ab 2000: Bau der Detektoren und des LHC Beschleunigers 2008: Erste Inbetriebnahme Laufzeit: bis 2020(?) oder länger Ein ganzes Physiker-Leben... Zum besseren Informationsaustausch wurde Anfang der neunziger Jahre das World Wide Web am CERN erfunden (Tim Berners-Lee) Heutzutage nicht mehr wegzudenken... CERN: Teilchenphysik in Deutschland: 21

22 DAS Portal für Teilchenphysik in Deutschland 22

23 Tier-2 Das GRID Verbindungen von Tier-1 zu Tier-2 über das allgemeine Forschungsnetzwerk DESY Tier-1 Karlsruhe GridKa IN2P3 Direkte 10 Gbit/s TRIUMF Verbindungen Jedes Tier-2 Zentrum kann Daten aus jedem Tier-1 Zentrum anfordern Brookhaven ASCC Nordic Tier-0 Fermilab CNAF SARA NIKHEF RAL PIC 23

24 Technologie Spin-Offs Spin-Offs von ursprünglich für die Teilchenphysik entwickelten Technologien und Verfahren WWW (World-Wide-Web) entwickelt zur effektiveren Kommunikation zwischen den weltweit verteilten Teilchenphysikern PET (Positronen-Emissions-Tomographie) entstanden aus einer Zusammenarbeit von CERN und Hopital Cantonal Genf Radiographie einer Fledermaus Aktuelle Projekte Detektoren für medizinische Diagnostik Dünnfilm-Beschichtungen für Vakuumanwendungen Schnelle Elektronik 24

25 Illuminati... JA, wir produzieren Antimaterie am CERN aber nur einige 10'000 AntiwasserstoffAtome pro Tag... es bräuchte 25'000'000 Milliarden Jahre, um einen Ballon zu füllen... NEIN, wir haben keinen X-33 spaceplane...die meisten Gebäude sind alt und funktionell...die Physiker vergnügen sich nicht in Windkanälen......und laufen nicht in weissen Kitteln mit Notizblöcken herum......sondern hetzen mit Laptops von Meeting zu Meeting... 25

26 Die CERN Sommerstudenten 26