Die Zukunft der Teilchenphysik Ziele und technologische Herausforderungen

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1 Die Zukunft der Teilchenphysik Ziele und technologische Herausforderungen Prof. Dr. Michael Feindt Prof. Dr. Günter Quast Institut für Experimentelle Kernphysik Universität Karlsruhe 1

2 Die Zukunft der Teilchenphysik Ziele und technologische Herausforderungen Prof. Dr. Michael Feindt Prof. Dr. Günter Quast Institut für Experimentelle Kernphysik Universität Karlsruhe 2

3 Elementarteilchenphysik beschäftigt sich mit den kleinsten Strukturen im Universum Die Welt im Kleinen Rosen ,001 m 1 m km 3

4 Die Welt im Kleinen Rosen ,001 m 1 m km

5 Die Welt im Kleinen Rosenblatt m 1dm 0.1m

6 Die Welt im Kleinen Fliege m 1cm 0. 01m

7 Die Welt im Kleinen Fliegenauge m 1 mm m

8 Die Welt im Kleinen Fliegenauge m 100 µ m m

9 Die Welt im Kleinen Detail im Fliegenauge m 10 µ m m

10 Die Welt im Kleinen Elektronen- mikroskop- Aufnahme 10-6 m 1 µ m m

11 Die Welt im Kleinen Elektronen- mikroskop- Aufnahme m 100 nm m

12 Die Welt im Kleinen DNS-Molekül m 10 nm m

13 Die Welt im Kleinen Molekül m 1 nm m

14 Die Welt im Kleinen Atome bestehen aus Kern und Elektronenhülle m 0.1nm m

15 Die Welt im Kleinen Atome sind fast leer, der Kern ist sehr klein m 10 pm m

16 Die Welt im Kleinen Atome sind fast leer, der Kern ist sehr klein m 1pm m

17 Die Welt im Kleinen Radius des Kerns nur ca. 1/ der innersten Elektronenbahn m 100 fm m

18 Die Welt im Kleinen Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen m 10 fm m

19 Die Welt im Kleinen Proton/Neutron bestehen aus Quarks fm m m

20 Die Welt im Kleinen Punktförmige Quarks und Leptonen m 0.1fm m

21 Die Welt im Kleinen Punktförmige Quarks und Leptonen m 0.01 fm m

22 Die Welt im Kleinen Punktförmige Quarks und Leptonen m fm m

23 Die Welt im Kleinen? Quarks und Leptonen wirklich gar keine Ausdehnung? m fm m

24 Teilchenphysik und Kosmologie Verständnis der Elementarteilchenphysik ist entscheidend für das Verständnis des sehr frühen Universums. Je höher die Energie, desto näher kommen wir an den Urknall heran. Jetzt sind wir bei ca. 0, Sekunden. 24

25 Urknall 25

26 Der Stand der Dinge Heutiger Stand 1 Einfaches Baukastenprinzip zum Aufbau der bekannten Materie Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik 26

27 Heutiger Stand Einfaches Baukastenprinzip zum Aufbau der bekannten Materie 27

28 Heutiger Stand (2) Einheitliches Prinzip zur Beschreibung von Kräften : Austauschteilchen Nur vier Grundkräfte Gravitation entzieht sich der einheitlichen Beschreibung! 28

29 Gegenwart und nahe Zukunft: Nahe Vergangenheit: LEP: e+e- Collider bei hohen Energien ( GeV) Gegenwart und nahe Zukunft: HERA: Elektron-Proton-Collider zur Erforschung der Struktur des Protons B-Fabriken: asymmetrische Niederenergie e+e- Collider) (10 GeV) Tevatron: Proton-Antiproton-Collider bei höchsten Energien (2000 GeV) Fernere Zukunft: Large Hadron Collider LHC (ab 2007) Elektronen-Linearbeschleuniger 29

30 Elektron-Positron Positron-Kollisionen Symmetrische Kollisionen bei hohen Energien (z.b. LEP). Sehr saubere Ereignisse, weil Elektronen punktförmig sind. Cornell Fermilab DESY KEK Messungen bei LEP haben das Standardmodell mit sehr hoher Präzision bestätigt. SLAC CERN 30

31 Der LEP - Speicherring am CERN 31

32 Das CERN in Genf: gegründet 1957 ca Angestellte (davon 4 Nobelpreisträger) und 6000 Gäste (incl. Nobelpreisträger) aus 500 Instituten der ganzen Welt Jahresbudget ca CHF (Jeder deutsche Bürger: ca. 2 Euro / Jahr) Stromverbrauch ca MWh/ Jahr LEP: 7 Jahre Bau und 12 Jahre Operation ( ) Zukunftsprojekt LHC im LEP Tunnel, Betrieb ab ca

33 Blick in den Tunnel: 27 km Magnete und Beschleunigungsstrecken Im Strahlrohr: Vakuum besser als im interstellaren Raum 33

34 Supraleitung: extreme Kühlung notwendig: nur knapp über dem absoluten Nullpunkt (kälter als die kosmische Hintergrundstrahlung) Supraleitende Beschleunigungsstrecke für LEP II 34

35 Zugang zum DELPHI-Experiment 35

36 100 Meter tiefer: DELPHI 36

37 DELPHI Endplatte 37

38 38

39 OPAL Experiment am LEP 39

40 Offene Fragen Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends: 1 Ursprung der Massen der Elementarteilchen? Vereinigung aller fundamentalen Kräfte? in einer Universalwechselwirkung?? Unbekannte Formen von? Materie? z.b. supersymmetrische Materie dunkle Materie Natur der dunklen Energie? Verborgene räumliche Dimensionen? Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik? 40

41 Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends: Ursprung der Massen der Elementarteilchen? Vereinigung aller fundamentalen Kräfte in einer Universalwechselwirkung? Unbekannte Formen von Materie? z.b. supersymmetrische Materie dunkle Materie Natur der dunklen Energie? Verborgene räumliche Dimensionen? Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

42 Higgs-Mechanismus zur Massenerzeugung? Party-Gäste im Grundzustand Higgs-Feld (Ge-)Wichtige Persönlichkeit betritt den Raum Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld =>> Masse Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

43 Higgs-Mechanismus (2) Ein Gerücht breitet sich im Raum aus Higgs wechselwirkt mit sich selbst! Higgs hat selbst Masse! Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

44 Vereinheitlichung der Kräfte Bei kleinen Abständen werden die Kräfte immer ähnlicher. Gibt es ein supersymmetrische Spiegelwelt? Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

45 Dunkle Materie & Dunkle Energie eueste Astrophysikalische Beobachtungen: 70 % der Energiedichte des Universums sind dunkle Energie nur 4% der Energiedichte von uns bekannter Materie Rest ist Dunkle Materie Was ist die Natur der Dunklen Energie? Was ist die Dunkle Materie? Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

46 Proton-Antiproton Antiproton-Kollisionen Mit Protonen sind höhere Energien als mit Elektronen erreichbar (LEP II: 200 GeV ==> Tevatron: 2000 GeV, LHC GeV) Preis für hohe Energie: (weil Protonen zusammengesetzte Objekte sind): --- Ereignisse sind viel komplizierter (mehr Spuren) --- meist steht nur kleiner Teil der Energie für interessante Physik zur Verfügung Protonenbeschleuniger sind hauptsächlich,,entdeckungsmaschinen, Elektronenbeschleuniger,,Präzisionsmessungsmaschinen. 41

47 Der pp-collider Tevatron Fermi National Accelerator Laboratory in in Batavia nahe Chicago Weltrekord in Energie: 2 TeV = 2000 GeV Fixed-Target Experimente CDF D0 Fermilab Cornell DESY KEK Hauptgebäude Main Ring und Tevatron SLAC CERN Neuer Main Injector Top-Quark-Physik b-quark-physik Starke WW Suche nach neuen Phänomenen 42

48 Das CDF- Experiment >460 Wissenschaftler 47 Institute 9 Länder 43

49 Spin-Offs die,,teflon-pfannen der Teilchenphysik Hadronen-Therapie für ansonsten unbehandelbare Tumore Das World Wide Web Grid-Computing NeuroBayes - Neuronale Bayes sche Statistik für die Wirtschaft

50 Hadronen-Therapie Entwicklung vom CERN initiiert (Prof. Ugo Amaldi) Übliche Strahlentherapie zerstört nicht nur den Tumor, sondern auch das Gewebe davor und dahinter. Hadronen-Strahlung kann auch in der Tiefe sehr genau lokalisiert werden. 45

51 Das World Wide Web Entwicklung am CERN (http-protokoll) Technisches Problem: Kommunikation in großen internationalen Kollaborationen Innerhalb von 10 Jahren: Weltweiter Siegeszug. Heute fast in jedem Haushalt vorhanden 46

52 Das Internet 47

53 Das Internet 48

54 Das Internet 49

55 Das Internet 50

56 Das Internet 51

57 Das Internet 52

58 Das Internet 53

59 Datenanalyse und statistische Methoden Optimiert durch weltweiten Wettbewerb, aus den begrenzten und teuren Daten möglichst viele neue physikalische Erkenntnisse zu extrahieren. 54

60 Neuronale Netzwerke Neuronale Netzwerke: Selbstlernende Computerverfahren, der Natur nachempfunden Frontal Lobe Motor Cortex Parietal Cortex Temporal Lobe Brain Stem Occipital Lobe Cerebellum 55

61 NeuroBayes Die Information (das Wissen, die Expertise) steckt in den Verbindungen zwischen den Nervenzellen Komplexe selbstlernende Expertensysteme. Können aufgrund von historischen oder simulierten Daten Wahrscheinlichkeiten für Zukunftsprognosen 56

62 Erfolg Diese,,künstliche Intelligenz kann viele komplizierte Zusammenhänge besser erkennen als z.b. ihre Autoren selbst. Wenn sie erstmal gefunden sind, sind sie oft auch für den Menschen verständlich und nachvollziehbar. Sehr erfolgreiche Anwendungen in der Physik. Viele Millionen gespart. Viele Analysen erst ermöglicht. 57

63 Erkenntnis Diese Methoden sind nicht nur in der Physik anwendbar 58

64 Anwendungen von NeuroBayes in der Wirtschaft > Industrielle Forschung z.b. Qualitätsklassifizierung, Fertigungskontrolle > Medizin- und Pharma-Forschung z.b. Wirkungen, Nebenwirkungen, Wechselwirkungen von Medikamenten > Banken z.b. Kredit-Scoring (Basel II), Bewertung von Derivaten > Versicherungen z.b. Risikovorhersage, Kündigungswahrscheinlichkeit Voraussetzung: es müssen (historische oder simulierte) Daten vorhanden sein. 59

65 Ausgründung aus der Universität Karlsruhe ( -seed Programm des BMBF): Technologietransfer Anwendungen von NeuroBayes in der Wirtschaft IT-Portal Karlsruhe Haid- und Neustraße 60

66 Die Zukunft der Teilchenphysik Die großen Zukunftsprojekte: Der Large Hadron Collider LHC und ein Elektron-Positron- Linearbeschleuniger Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik 61

67 Die großen Zukunftsprojekte: Der Large Hadron Collider LHC und ein Elektron-Positron- Linearbeschleuniger Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

68 Neue Beschleuniger zur Beantwortung der offenen Fragen:. Large Hadron Collider (LHC) am CERN (ab 2007) die Entdeckungsmaschine. Elektron-Positron- Linearbeschleuniger die Präzisionsmaschine Bis dahin: - Tevatron am FNAL - Hera II am DESY - B-Fabriken am SLAC und bei KEK - Neutrino-Strahlen am KEK, Fermilab u. CERN im Bau - einige kleinere Beschleunigeranlagen für spezielle Fragestellungen Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

69 Der Large Hadron Collider (LHC) Proton-Proton-Beschleuniger im LEP- Tunnel am CERN 14 TeV pro Kollision, d.h Bedingungen wie zu Zeiten s nach dem Urknall Vier geplante Experimente: ATLAS (pp-physik) ALICE (Pb-Pb-Kollisionen) CMS (pp-physik) LHC-B (Physik der b-quarks) Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

70 LHC Parameter Proton-Proton-Pakete ( bunches ) Protonen/Paket Proton-Energie: 7 TeV Kreuzungsrate der p-pakete: 40 Mhz bis zu 10 9 pp-stöße/sec Luminosität: cm -2 s -1 Design, cm -2 s -1 anfänglich 23 Ereignisse im Detektor überlagert ~1600 geladene Teilchen im Detektor Hohe Teilchendichten sind eine Herausforderung für die Detektoren Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

71 Wichtige Komponenten des Beschleunigers Supraleitende Magnete halten die Protonen auf der Kreisbahn größte Herausforderung: Magnetfeld von 9 Tesla insgesamt 1300 Stück, 15 m lang Betrieb bei einer Temperatur von 1.9 K 8 Supraleitende Beschleunigungsstrukturen Beschleunigungsfeld von 5 MV/m Tests einer vollen LHC-Zelle erfolgreich durchgeführt! LHC als größte supraleitende Anlage ist Herausforderung für die Kryo-Technik! Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

72 Kühlung: LHC erstaunliche Zahlen 12 Millionen Liter flüssigen Stickstoff um Tonnen Material abzukühlen Liter flüssiges Helium zum Kühlen Gesamtenergie in Protonenstrahlen... E = 2 * 7 TeV * 2835 * 1,1 *10 11 = 4,3659 * TeV = 7 * 10 8 J (40 t mit v = 187 m/s = 673 km/h)... Bewegungsenergie eines Lastwagens mit der Geschwindigkeit eines Jumbo-Jets! Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

73 pp-kollision bei LHC Proton Proton Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

74 Zwiebelschalenstruktur eines Detektors Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

75 Teilchenspuren im Detektor Selektive Rekonstruktion Manchmal gibt es ein paar interessante... z.b. Higgs: eines in Kollisionen Tausende von Teilchenspuren in jedem Ereignis Interessante Physik passiert sehr selten, Analyse bedeutet Suche nach der Nadel im Heuhaufen! Herausforderung für Detektorbau, Experimentiertechnik und Datenanalyse! Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

76 Ereignis- und Daten-Raten bei LHC Detektoren haben einige 10 7 Kanäle LHC Kollisionsrate: 40 MHz bit/kanal ~1000 Tbyte/s Rohdatenrate! Level 1 - Hardware Level 2 Online Farm 40 MHz (1000 TB/sec) TB/sec) äquivalent Khz (75 GB/sec G 75 Khz (Wenn 6 Milliarden Menschen gleichzeitig telefonieren, sind das (nur) 50 TB/sec ) B/sec komplett komplett digitalisiert) Khz (5 GB/sec) GB/sec) 5 Khz Level 3 Online Farm Nullunterdrückung und Trigger reduzieren Datenrate auf nur (einige) 100 Mbyte/s 100 Hz (100 MB/sec MB/sec Dieser Datenstrom muss weltweit verteilt werden! Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

77 Teilchenphysik ist international 267 Institute in Europa, 4600 Benutzer 208 Institute anderswo, 1600Benutzer Karlsruhe Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

78 as World-Wide-Grid zur Analyse der LHC-Daten (Bsp. CMS) Datenanalyse auf einem virtuellen Supercomputer... Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

79 Der CMS-Detektor E Einiges ist bereits Realität... Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

80 Bsp.: Die Suche nach dem Higgs mit CMS H γγ H Z Z 4µ H nach 1 Jahr LHC (Diplomarbeit J.Weng) Higgs-Suche im ersten Jahr von LHC ist Statistik kleiner Zahlen Wenn das Higgs existiert, wird es am LHC gefunden werden! Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

81 Elektron-Positron Linearbeschleuniger TESLA (in Hamburg?) Alternative Strategie: Präzisionsmessungen statt höchstmöglicher Energie e + e - Collider ideal für genaueste Messungen: Punktförmige Teilchen Nur elektroschwache Wechselwirkung im Anfangszustand Schwerpunktsenergie genau einstellbar Vollständige Ereignisrekonstruktion Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

82 Ziele eines LinearColliders Blick in den 1-10 TeV-Bereich und zu den höchsten Energien: * Vereinigung der Kräfte * Gravitation Energie: mindestens 2 M top bis 400 GeV, ausbaubar bis 1000 GeV Luminosität: Reaktionsraten typisch 1/E cm 2 => benötigt tausendfache LEP-Luminosität! Variable Schwerpunktsenergie Das Tesla-Konzept: supraleitender Linearbeschleuniger Gesamtlänge entspricht der des LEP-Tunnels Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

83 Physikpotenzial Auch wenn ein Higgs am LHC gefunden wird, bleiben Fragen: Ist es das SM-Higgs? Ist es verantwortlich für Masse? Ist spontante Symmetriebrechung die Ursache? Messung der Higgs-Kopplungen an alle Teilchen und an sich selbst! Präzise Spektroskopie aller SuSy-Teilchen bis 1TeV Masse Higgs- Ereignis im Linear-Collider-Detector Energieabhängigkeit der Kopplungskonstanten: der Weg zur Großen Vereinheitlichung Effekte von Quantengravitation, d.h. Graviton-Abstrahlung, wenn es große extra Raumdimensionen gibt Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

84 Zur Lektüre empfohlen: Broschüre der deutschen Teilchenphysiker zu Stand und Zukunft des Gebiets Nov Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

85 Teilchenphysik-Experimente in Space AMS-Experiment auf Internationaler Raumstation ISS: (Start 2005) Suche nach Antimaterie im Weltraum Suche nach Supersymmetrie 62

86 Ausblick > Stay tuned... Antworten auf spannende Fragen: Gibt es das Higgs-Teilchen wirklich? Geht dunkle Materie zuerst den Astrophysikern oder uns ins Netz? Gibt es eine supersymmetrische Spiegelwelt? Gibt es noch weitere Raumdimensionen?... Riesige technologische Herausforderungen stehen vor uns! Mit Mut und Optimismus und gutem und engagiertem Nachwuchs können wir es schaffen! 63

87 The End (?) 64