Der Urknall im Labor - Der Urknall im Labor -

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1 Der Urknall im Labor - Der Urknall im Labor - Hermann Kolanoski, Humboldt-Universität zu Berlin Proton Proton Teilchenphysik bei den höchsten Energien Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 1

2 worüber ich berichten will: worüber ich berichten will: Gigantisch: Large Hadron Collider Detektor Datenströme Datenverarbeitung Motivation: hohes Forschungsziel: unser Universum verstehen Soziologie: internationale Kollaborationen Management Kommunikation Individuen in der Menge Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 2

3 CERN, der Large Hadron Collider und seine Experimente Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 3

4 LHC B-Physik, CP-Verletzung Proton-Proton-Collider LHC : 27 km lang 100 m unter der Erde ATLAS Universelle Detektoren Schwerionen, pp CMS +TOTEM ALICE Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 4

5 Was ist CERN? CERN ist das weltweit größte Zentrum für Teilchenphysik was Teilchenphysiker suchen:: - elementaren Bausteine der Materie -die fundamentalen Kräfte, die alles zusammenhalten dazu braucht die Teilchenphysik: - aufwendige Apparaturen um neue Teilchen zu erzeugen und zu untersuchen CERN is: -~ 2500 staff scientists (physicists, engineers, ) - Some 6500 visiting scientists (half of the world's particle physicists) They come from 500 universities representing 80 nationalities. CERN Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 5

6 Von der Entdeckung des Elektrons bis Von der Entdeckung des Elektrons bis bis zu der Entdeckung des Higgs, SUSY, Extra-Dimensionen Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 6

7 Das ATLAS-Areal überirdisch Das ATLAS-Areal überirdisch Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 7

8 LHC-Tunnel und Experimentierhallen LHC-Tunnel und Experimentierhallen Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 8

9 Die ATLAS-Kollaboration Die ATLAS-Kollaboration Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 9

10 Die Motivation Die Motivation Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 10

11 Standardmodelle: Kosmologie und Teilchenphysik Entwicklung des Universums Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 11

12 Der Aufbau der Materie Der Aufbau der Materie 1/ /10 1/ /10 1/1.000 ~ 0,01 m Kristall 10-9 m Molekül m Atom m Atomkern m Proton <10-18 m Quark, Elektron Stecknadelkopf: 10-3 m = 0,001m Elektron, Quark: <10-18 m = 0, m Elementare Quanten der Ursuppe? Was noch? Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 12

13 Systematik in der Welt der Teilchen Systematik in der Welt der Teilchen Systematik Symmetrien Warum 3? 3 Familien von Quarks und Leptonen Brauchen nur 1.Familie für die Atome: Proton=uud, Neutron=udd, Elektron!? Ist das alles? + Kraftteilchen, W, Z 0, 8 Gluonen, Graviton Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 13

14 Standardmodelle: Kosmologie und Teilchenphysik Alles verstanden? Es bleiben Fragen: Higgs, Dunkle Materie, Quantentheorie der Gravitation,. Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 14

15 HIGGS-Teilchen Die Teilchen in den 3 Familien unterscheiden sich nur in ihrer Masse. Schöne Symmetrie, wenn alle Teilchen keine Masse hätten. Warum haben die Teilchen Masse? Antwort der Theoretiker: Higgs-Teilchen gibt allen Teilchen Masse Wie kann man das verstehen???? Masse Trägheit Peter Higgs Der britische Wissenschaftsminister wollte das auch verstehen, bevor er das Geld für den Large Hadron Collider locker macht.. Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 15

16 Wie die HIGGS-Teilchen träge machen Wie die HIGGS-Teilchen träge machen Party: Gäste erwarten Angela Angela kommt Wellenbewegung in Richtung Tür Masse Trägheit Gäste suchen die Nähe von Angela Gäste = Higgs-Feld Angela = massives Teilchen Angela wird unbeweglich bekommt Masse Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 16

17 Dunkle Materie und Dunkle Materie und Mikrowellenhintergrund (Nobelpreis 2006) Rotationskurven von Galaxien Dynamik von Galaxienhaufen Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 17

18 und Supersymmetrie und Supersymmetrie? stabiles LSP lightest SUSY particle Neutralinos sind Kandidaten für Dunkle Materie Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 18

19 Suche nach nach Extra-Dimensionen Extra-Dimensionen Suche Mini Schwarzes Loch Basic idea : solve hierarchy problem MEW / MPlanck ~ by lowering gravity scale from MPlanck ~ 1019 GeV to MD ~ 1 TeV Possible if gravity propagates in 4 + n dimensions. Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 19

20 Warum hohe Energien? Warum hohe Energien? Proton Proton x = h/ p Ortsauflösung Mikroskop: 10-6 m Ortsauflösung LHC: m E=mc 2 Energie: - Abtasten von Strukturen - Aufbrechen von Strukturen - Erzeugung von neuer Materie: E=mc 2 Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 20

21 Energie = Masse = 1/Abstand Energie = Masse = 1/Abstand Energie: ev, kev, MeV, GeV, TeV, PeV, EeV,... Masse: E=mc 2 H-Masse etwa 1 GeV/c 2 Impuls: Abstand: masselose Teilchen: p= E/c 1 Proton (H-Kern) in LHC: 7 TeV/c x = h/ p m (LHC) Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 21

22 Apparaturen Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 22

23 Maschine: Large Hadron Collider Maschine: Large Hadron Collider Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 23

24 Maschine: Large Hadron Collider (LHC) Maschine: Large Hadron Collider (LHC) Ablassen des ersten Dipolmagneten in den Tunnel im März 2005 und der 616. Magnet von insgesamt 1232 im Juli 2006 Supraleitende Magnettechnologie basiert auf Pionierarbeit für HERA-Collider im DESY B = 8.34 T T 1 K Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 24

25 Beschleuniger Linearbeschleuniger: Speicherring: Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 25

26 LHC-Parameter 7 TeV + 7 TeV Energie Bunch-Kollisionen: 40 MHz = 40 Mio Kollisionen pro s oder 1 Kollision pro 25 Nanosekunden N σ L Intensität der Strahlen = Luminosität: L 10 cm 34 2 s mit pp N mb cm folgt : Ereignisse/s 1GHz!!! 2 = Wirkungsquerschnitt in 1 Jahr = 10 7 s wird 1 Ereignis erzeugt, das mal seltener als eine Proton-Proton-Kollision ist!! Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 26

27 Wie kann man kleine Teilchen sehen? Wie kann man kleine Teilchen sehen? E.Rutherford misst die Struktur der Atome durch Streuversuche a) Rutherfords Erwartung b) Rutherfords Ergebnis Rutherford Applet Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 27

28 Der Detektor Der Detektor Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 28

29 Seh-Apparat verglichen mit einem Detektor Seh-Apparat verglichen mit einem Detektor Strahlung Fokussierung Wechselwirkung mit Sensor Signaltransfer Datenverarbeitung Licht Linse Netzhaut Nerven Gehirn Teilchenstrahlen Magnete Detektor Kabel Computer Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 29

30 Ionisation: Erzeugung elektrischer Ladungen Ionisation: Erzeugung elektrischer Ladungen - + e Atome in Materie neutrales Atom Elektron (-) und Ion (+) Beispiel: ein Teilchen erzeugt etwa 100 Ionen pro 1 cm in Argon und etwa Ionen pro 300 m in Silizium Driftkammern Si-Detektoren Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 30

31 Ionisationsspuren sichtbar machen: Photoemulsion Schwärzung einer Photoemulsion Langsame schwere Teilchen machen mehr Ionisation als schnelle leichte Teilchen Ortsgenauigkeit ~1 m (der ungeschlagene Rekord) Mikroskopische Vermessung der Spuren Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 31

32 Ortsbestimmung: Vieldrahtproportionalkammer Ortsbestimmung: Vieldrahtproportionalkammer G.Charpak, Nobelpreis 1992 Elektronische Auslese! Grosse Kanalzahlen möglich durch integrierte Schaltungen Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 32

33 Impulsmessung Impuls = Masse Geschwindigkeit Häufig auch Detektoren im Magnetfeld R[m] pt [GeV] 0.3 B[T] Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 33

34 Typischer Detektor Typischer Detektor Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 34

35 Toroidmagnet-Installation Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 35

36 Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 36

37 Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 37

38 ATLAS als Opernbühne ATLAS als Opernbühne Hector Berlioz, Les Troyens, Inszenierung aus Valencia, 2009 Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 38

39 Trigger, Datennahme und Detektorkontrolle Trigger, Datennahme und Detektorkontrolle Trigger = Auswahl guter Ereignisse 40 MHz 40 MHz Calo MuTrCh Other detectors Datennahme 75 khz LV L1 RoI 2.5 s RoI data = 1-2% Lvl1 acc = 75 khz ROD ROD 120 GB/s ROD D E T R/O 120 GB/s ~2 khz H L T LVL2 L2P ROIB Event Filter EFP EFP EFP EFP ~ 10 ms L2SV L2N ~ sec RoI requests Lvl2 acc = ~2 khz ~4 GB/s EFacc = ~0.2 khz ROB ROB ROB ROS DFM EB EBN SFI EFN D A T A F L O W ~2+4 GB/s SFO ~ 200 Hz ~ 300 MB/s Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 39

40 Datennahme und Speicherung Datennahme und Speicherung 40 MHz 120 GB/s 75 khz Hardware Trigger 3 GB/s Auslesespeicher Massenspeicher 200 Hz 300 MB/s 1 Petabyte pro Jahr (10 6 Gigabyte) Multi-stage Software Trigger Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 40

41 1 Megabyte (1MB) A digital photo 1 Gigabyte (1GB) = 1000MB A DVD movie 1 Terabyte (1TB) = 1000GB World annual book production LHC und die Datenflut The The Big Big Data Data Bang Bang Jede Sekunde Ereignisse - x Sensoren 10 Petabyte/s Datenfilter: 1 : Datenspeicher: 10 Petabyte pro Jahr (~ 1% der globalen Information) Concorde (15 Km) Balloon (30 Km) CD stack with 1 year LHC data! (~ 20 Km) 1 Petabyte (1PB) = 1000TB Annual production of one LHC experiment Mt. Blanc (4.8 Km) 1 Exabyte (1EB) = 1000 PB World annual information production Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 41

42 LHC Datenverarbeitung LHC Datenverarbeitung LHC-Datenanalyse erfordert Computer Kapazitäten entsprechend ~ 100,000 der schnellsten heutigen PC s Wo findet man das? Lösungen auch dafür? Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 42

43 LHC Computing Grid LHC Computing Grid Web für Informationen Grid für Computing LHC-Experimente: ~200 Computer-Center 12 große Zentren (Tier-0, Tier-1) 38 kleinere Tier-2 -Zentren Tier-2 Tier-2 Tier-2s and Tier-1s are inter-connected by the general purpose research networks Tier-2 Tier-2 Any Tier-2 may access data at any Tier-1 BNL IN2P3 GridKa TRIUMF ASCC Tier-2 Tier-2 Tier-2 Nordic FNAL Tier-2 CNAF Tier-2 Tier-2 SARA PIC RAL Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 43

44 Tier-1 Centers: TRIUMF (Canada); GridKA(Germany); IN2P3 (France); CNAF (Italy); SARA/NIKHEF (NL); Nordic Data Grid Facility (NDGF); ASCC (Taipei); RAL (UK); BNL (US); Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 44 FNAL (US); PIC (Spain)

45 LHC-Start im Dezember 2009 LHC-Start im Dezember 2009 Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 45

46 ATLAS-Kontrollraum in DESY Zeuthen ATLAS-Kontrollraum in DESY Zeuthen Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 46

47 Myon-Spuren Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 47

48 Erste Kollisionen bei 7 TeV! Erste Kollisionen bei 7 TeV! Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 48

49 Myon-Spuren bei 7 TeV Myon-Spuren bei 7 TeV Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 49

50 Erster Kandidat für ein W-Boson Erster Kandidat für ein W-Boson Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 50

51 Kollaboration und Individuen in ATLAS Kollaboration und Individuen in ATLAS Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 51

52 Arbeiten am und für das Experiment Arbeiten am und für das Experiment Kontrollraum eines Teststrahls Control room at H8 2am saturday morning, red team raises the alarm. "We have lost contact with module 2, Sir..." This month's photo is of the insertion of ATLAS pixel barrel layer 2 into the global support frame. ATLAS-Kontrollraum Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 52

53 Kommunikation EVO Telefon Web (Wiki,...) Meetings, lokal und fern mit: Telefon-Konferenz Video-Konferenz EVO 3-mal pro Jahr ATLAS Overview Week (davon 1-mal ausserhalb CERN) Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 53

54 Speakers age distribution 99 entries (21 F plus 78 M) Entries / 2 years th ATLAS Physics WS Rome 6-11 June Age (years) 441 registered participants Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 54

55 Studenten in ATLAS Studenten in ATLAS arbeitet an einer graphischen Darstellung eines Online- Überwachungssystems Etwa 400 Doktoranden in ATLAS studiert die Physik der 1.Stunde Einzigartige Möglichkeiten: Teil von etwas Bedeutendem Teamarbeit, Kommunikation Sichtbarkeit in der Kollaboration und nach außen Internationalität Die Größe der Kollaboration scheint für Studenten kein Problem zu sein (eher für die Bosse). ATLAS-Studenten von der Humboldt-Universität Aufgaben sind eingebettet in kleinere Arbeitsgruppen, in denen auch ein Diplomand für sein Gebiet der Spezialist sein kann. arbeitet an einer Testinstallation für die Higher-Level-Triggerfarm (im DESY-Rechenzentrum) Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 55

56 Berufsentwicklung am Beispiel OPAL (LEP) Berufsentwicklung am Beispiel OPAL (LEP) 50% Industrie 50% Unis oder Forschungszentren, z.b. CERN fellows Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 56

57 Das Gigantische schafft man mit Giganten Das Gigantische schafft man mit Giganten Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 57

58 Hermann Kolanoski - Urknall im Labor 58