Mit dem Licht durch die Wand Das ALPS-Experiment bei DESY

Transkript

1 Mit dem Licht durch die Wand Das ALPS-Experiment bei DESY Friederike Januschek DESY Hamburg Tag der offenen Tür, 2. November 2013

2 Der Weltraum unendliche Weiten Und was wissen wir darüber?!? Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 2

3 Der Weltraum unendliche Weiten > Sterne Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 3

4 Der Weltraum unendliche Weiten > Sterne > Gas, Staub Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 4

5 Der Weltraum unendliche Weiten > Sterne > Gas, Staub > Dunkle Materie Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 5

6 Der Weltraum unendliche Weiten > Sterne > Gas, Staub > Dunkle Materie > Dunkle Energie Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 6

7 Dunkle Materie Warum wir denken, dass es sie gibt >Rotation von Galaxien >Galaxienbewegungen in Galaxienhaufen >Gravitationslinseneffekt Ingo Berg Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 7

8 Das Standardmodell mögliche Kandidaten? >Wir haben ein Standardmodell der Teilchenphysik, das bemerkenswert gute Arbeit leistet >Können wir in ihm einen Kandidaten für die Dunkle Materie finden? Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 8

9 Das Standardmodell mögliche Kandidaten? >Zu stark Dunkle Materie dürfte nur schwach mit anderen Teilchen und sich selbst wechselwirken Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 9

10 Das Standardmodell mögliche Kandidaten? >Zu stark >Zu kurzlebig Dunkle Materie müsste eine sehr lange Lebensdauer haben Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 10

11 Das Standardmodell mögliche Kandidaten? >Zu stark >Zu langlebig >Zu schnell Ein Großteil der dunklen Materie darf keine relativistischen Geschwindigkeiten haben Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 11

12 Wo könnte man sonst noch suchen? Das Axion > Das Axion wurde vorhergesagt, um zu erklären, warum die Ladung in einem Kernteilchen extrem gleichmäßig verteilt ist. Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 12

13 Wo könnte man sonst noch suchen? Das Axion > Das Axion wurde vorhergesagt, um zu erklären, warum die Ladung in einem Kernteilchen extrem gleichmäßig verteilt ist. > Außerdem könnte es einige Beobachtungen der Astrophysik erklären. Manuel Meyer Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 13

14 Wo könnte man sonst noch suchen? Das Axion > Das Axion wurde vorhergesagt, um zu erklären, warum die Ladung in einem Kernteilchen extrem gleichmäßig verteilt ist. > Außerdem könnte es einige Beobachtungen der Astrophysik erklären. > Gleichzeitig wäre es ein guter Kandidat, um unsere dunkle Materie zu erklären! Manuel Meyer Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 14

15 Und warum haben wir es noch nicht gesehen? > Da das Axion so leicht ist, können wir es nur übersehen haben, wenn es SEHR wenig mit der uns umgebenden Standardmaterie wechselwirkt. > Es müsste aber SEHR viele Axionen geben, um die dunkle Materie zu erklären: (Zehn Trilliarden) würden jede Sekunde durch unseren Daumen gehen! Das sind ungefähr so viele, wie es Sandkörner auf der Erde gibt! Wikipedia Also: Wir können die Axionen nicht bemerken, weil sie mit uns nicht wechselwirken nette Theorie, aber nicht überprüfbar?!? Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 15

16 Es werde Licht! LICHT-DURCH- DIE-WAND- EXPERIMENT Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 16

17 Es werde Licht! > Das Axion müsste sich aufgrund seiner Eigenschaften in einem Magnetfeld in ein Lichtteilchen (Photon) verwandeln können. LICHT- DURCH-DIE- WAND- EXPERIMENT Axion Photon Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 17

18 Es werde Licht! LICHT- DURCH-DIE- WAND- EXPERIMENT > Das Axion müsste sich aufgrund seiner Eigenschaften in einem Magnetfeld in ein Lichtteilchen (Photon) verwandeln können und umgekehrt das Photon in ein Axion. Photon Axion Dieser Effekt wurde beim verwandten neutralen Pion schon beobachtet. Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 18

19 Und es werde Licht! > Verbindet man nun beide Prozesse, kann man doch das Axion nachweisen! Photon Axion Photon LICHT- DURCH-DIE- WAND- EXPERIMENT 1) Man leuchtet mit starkem Licht (Laser) auf eine lichtundurchlässige Wand. 2) Hinter die Wand stellt man ein empfindliches Lichtnachweisgerät. 3) Auf beide Seiten der Wand kommt ein Magnet. Ohne axionähnliche Teilchen: kein Licht durch die Wand. Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 19

20 Und es werde Licht! > Verbindet man nun beide Prozesse, kann man doch das Axion nachweisen! Photon Axion Photon LICHT- DURCH-DIE- WAND- EXPERIMENT 1) Man scheint mit starkem Licht (Laser) auf eine lichtundurchlässige Wand. 2) Hinter die Wand stellt man ein empfindliches Lichtnachweisgerät. 3) Auf beide Seiten der Wand kommt ein Magnet. Mit axionähnlichen Teilchen: Licht durch die Wand möglich! Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 20

21 Und es werde Licht! > Verbindet man nun beide Prozesse, kann man doch das Axion nachweisen! Photon Axion Photon LICHT- DURCH-DIE- WAND- EXPERIMENT 1) Man scheint mit starkem Licht (Laser) auf eine lichtundurchlässige Wand. 2) Hinter die Wand stellt man ein empfindliches Lichtnachweisgerät. 3) Auf beide Seiten der Wand kommt ein Magnet. Mit axionähnlichen Teilchen: Licht durch die Wand möglich! Aber leider SEHR unwahrscheinlich (extrem schwache Wechselwirkung). Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 21

22 Wie sieht das so aus? Das ALPS-Experiment Any Light Particle DESY (bis 2010) Laser Container Beschleuniger-Magnet Detektor Photon Axion Photon Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 22

23 Würfeln: Wahrscheinlichkeiten > Wir wollen axionartige Teilchen finden, deren Umwandelwahrscheinlichkeit in ein Photon % beträgt! > Das entspricht ca. der Wahrscheinlichkeit, einen Kniffel mit 21 Würfeln zu würfeln! Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 23

24 Würfeln: Wahrscheinlichkeiten > Wir brauchen also viele Versuche, das heißt: viele Lichtteilchen starker Laser mit Photonen auf die Wand pro Sekunde! > Dann haben wir Axionen, die pro Sekunde durch die Wand gehen! > Allerdings wird davon nur eins in 3 Jahren wieder zum Photon, das wir nachweisen können zu wenig! > Zum Glück gibt es einen optischen Trick (Resonator) mit dem wir die Umwandelwahrscheinlichkeit hinter der Wand so erhöhen können, dass wir eins pro Stunde erwarten! Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 24

25 NEU: Von ALPS-I zu ALPS-II: Was wir zurzeit bauen > Optischer Trick hinter der Wand DESY 1 HERA-Magnet, 1 Resonator 3000 mal empfindlicher > Stärkerer Laser > Längere Strecke > Mehr Magnete (20 statt 1) > Neuer Detektor DESY 20 HERA-Magnete, 2 Resonatoren Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 25

26 Kälter als im Universum! > Damit der Detektorchip funktionieren kann, muss er supraleitend sein. > Dazu wird er auf 80 mk gekühlt, das sind -273,07 C. > Damit ist es an unserem Detektor viel kälter als im Weltall bei 2,7K oder - 270,45 C! Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 26

27 Einzelne Photonen sehen > Damit das Experiment funktionieren kann, müssen wir (fast) jedes der erzeugten Photonen in unserem Detektor nachweisen > Ein einzelnes unserer Photonen hat aber sehr wenig Energie (1eV). > Wir messen die Temperaturerhöhung durch das einzelne Photon in unserem Chip. > Wir müssen daher jegliche Störung vermeiden Schon die Strahlung durch die Wärme des Weltalls wäre zu viel. Wir müssen alles extrem lichtdicht machen. Und dann Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 27

28 Einzelne Photonen sehen > Damit das Experiment funktionieren kann, müssen wir (fast) jedes der erzeugten Photonen in unserem Detektor nachweisen > Ein einzelnes unserer Photonen hat aber sehr wenig Energie (1eV). > Wir messen die Temperaturerhöhung durch das einzelne Photon in unserem Chip. Da sind sie! > Wir müssen daher jegliche Störung vermeiden Schon die Strahlung durch die Wärme des Weltalls wäre zu viel Wir müssen alles extrem lichtdicht machen Photonen Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 28

29 Einzelne Photonen sehen > Damit das Experiment funktionieren kann, müssen wir (fast) jedes der erzeugten Photonen in unserem Detektor nachweisen > Ein einzelnes unserer Photonen hat aber sehr wenig Energie (1eV). > Wir messen die Temperaturerhöhung durch das einzelne Photon in unserem Chip. > Wir müssen daher jegliche Störung vermeiden Schon die Strahlung durch die Wärme des Weltalls wäre zu viel Wir müssen alles extrem lichtdicht machen TEST Photonen Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 29

30 Und nun? > Leider müssen wir also auf die Entdeckung der Axionen noch warten > Aber in der Zeit können wir ja noch einiges tun > Für uns: Experiment fertig aufbauen, Licht durch die Wand schicken und Lichtteilchen messen > Für Sie: In unserer Mitmach-Aktion überprüfen, wie gut Ihr Auge Photonen nachweisen kann oder ALPS als Brettspiel ausprobieren (Zelt vor Gebäude 50 (HERA-Halle West) ) > Außerdem die vielen anderen spannenden Sachen bei DESY und anderswo sehen und ausprobieren > Viel Spaß & Danke für die Aufmerksamkeit! Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 30

31 Reaktionsstärke Die Teilchenjagd LHC & Co. Uns gibt es! Axionen und Ähnliches! Teilchenmasse Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 31

32 Reaktionsstärke Die Teilchenjagd LHC & Co. Uns gibt es! Axionen und Ähnliches! Teilchenmasse Friederike Januschek Mit dem Licht durch die Wand Page 32