Mit grossen Maschinen (auf der Suche nach dem Kleinsten

Transkript

1 Mit grossen Maschinen (auf der Suche nach dem Kleinsten Frank Krauss Institut für Theoretische Physik TU Dresden Physik am Samstag, TU Dresden 19. November 2005

2 Inhalt : Wo sich gross und klein treffen: Vom Universum zu den Teilchen Was wir zu wissen glauben (und was nicht): Woraus alles besteht Wie wir das Kleinste untersuchen: Beschleuniger und Detektoren Wo die Geschichte weitergeht: Epilog CERN und die neuen Experimente

3 Vom Universum zu den Teilchen Objekte in der Natur mit unterschiedlichen Grössen (Grösse bedingt Auflösung und damit Messverfahren) Trotzdem: Es gibt einen engen Zusammenhang! (Geschichte des Universums)

4 Geschichte des Universums (10 s, 10 GeV, 10 K) Urknall (Big bang): Zeit und Raum beginnen Unendliche Hitze, unendliche Dichte: Universum = Punkt Stringtheorie? Gravitation friert aus : Alle Teilchen im therm. Gleichgewicht, alle Kräfte (ausser Gravitation) gleich

5 Geschichte des Universums Grosse vereinheitlichte Theorie (GUT) Inflation: Universum verdoppelt Grösse alle s, Grösse danach: 10 m Heute sichtbar: 3 m Lösung für Horizont- und Flachheitsproblem Starke Kraft friert aus Materieüberschuss (gegenüber Antimaterie) (10 s, 10 GeV, 10 K)

6 Geschichte des Universums (10 s, 100 GeV, 10 K) Trennung von elektromagnetischer und schwacher Kraft: W und Z Bosonen zerfallen, Antiquarks und Quarks annihilieren (löschen sich aus), dabei entsteht Strahlung (z.b. Licht) Energiebereich wie der am LEP (CERN) schon erreichte -

7 Geschichte des Universums (10 s, 1 GeV, 10 K) Heute sichtbares Universum damals so gross wie unser jetziges Sonnensystem Nukleonformation: Protonen und Neutronen - entstehen; Verhältnis entwickelt sich von p:n = 50:50 zu 75:25 Neutrinos entkoppeln: Keine Wechselwirkung mehr Elektronen und Positronen annihilieren Elektronüberschuss bleibt

8 Geschichte des Universums (3 min, 100 kev, 10 K) 8 Bedingungen wie in Sternen Kernformation: Protonen und Neutronen kombinieren zu Deuterium, Tritium und Heliumkerne, Verhältnis p:n ca. 87:13 Elektronen verhalten sich wie ein freies Gas

9 Geschichte des Universums ( Jahre, 0.5 ev, 6000 K) Ära des Lichts: Astronomie beginnt Universum transparent, füllt sich mit Licht: Kerne und Elektronen - kombinieren zu Atomen, dabei wird Licht frei Strahlung nicht mehr energiereich genug um Atome zu knacken Materie dominiert die Dichte des Universums

10 Geschichte des Universums ( Jahre, 18 K) Galaxieformation: Aus kleinen lokalen Fluktuationen in der Dichte werden grosse Unterschiede (Zug der Gravitation) - Sterne zünden : Nucleosynthese (Erzeugung schwerer Elemente, z.b. Kohlenstoff) beginnt. Schwere Elemente verteilen sich

11 Geschichte des Universums ( Jahre, 3 K) Heute: Der Mensch tritt auf und fragt sich diese Fragen Struktur des Universums heute: Antworten unter anderem von Untersuchungen der kosmischen (Mikrowellen-) Hintergrundstrahlung (WMAP) und der gemessenen Rotverschiebung entfernter Galaxien

12 Heutiges Bild des Universums: Kosmische Hintergrundstrahlung

13 Heutiges Bild des Universums Rotverschiebung der Galaxien und grosse Strukturen Rotverschiebung der Galaxien aus Supernovae Typ Ia (oben) Grosse Strukturen im Universum: Galaxien, Richtung Südpol, 1/10 des Himmels (rechts)

14 Heutiges Bild des Universums Konsequenzen der Messungen Die Energie im Universum wird zu ca. 30% von Materie und zu ca. 70% von Energie getragen. Das Universum ist flach.

15 Woraus alles besteht Der bekannte Teilchen zoo zoo Sketch eines Protons

16 Woraus alles besteht Die bekannten Wechselwirkungen

17 Woraus alles besteht Die bekannten Wechselwirkungen

18 Woraus alles besteht Elektroschwache Wechselwirkung

19 Woraus alles besteht Starke Wechselwirkung

20 Woraus alles besteht Das Mysterium der Masse Problem des Standard Modells: Warum haben Teilchen vor allem die W und Z Bosonen - Masse? Das verletzt ein heiliges Prinzip der Theorie: Eichinvarianz Antwort: Trick! Seine Manifestation: Das Higgs-Teilchen (Der ultimative Test des Standard Modells und Tor zu etwas Neuem)

21 Was wir (noch) nicht wissen Standard Modell mit Higgs-Boson hat weitere Probleme: Keine Gravitation, rechnerische Konsistenz wirkt wie ein Artefakt (quadratische Divergenzen) Populärer Ausweg: Supersymmetry Verdopple Teilchenspektrum Bonus: Kandidat für dunkle Materie!

22 Beschleuniger und Detektoren Wie wir Teilchen produzieren und untersuchen

23 Beschleuniger und Detektoren Wie wir Teilchen produzieren und untersuchen

24 Beschleuniger und Detektoren Wie wir Teilchen produzieren und untersuchen

25 Wo die Geschichte weitergeht CERN und der LHC: Geschichte 1954 gegründet, um wissenschaftliche Zusammenarbeit und damit Frieden in Europa zu stiften (Idee der USA) Deutschland als Gründungsnation Heute: 20 Mitgliedsstaaten

26 Wo die Geschichte weitergeht CERN und der LHC: Soziales Mehrere tausend Mitarbeiter: Physiker, Informatiker, Ingenieure, Köche, Verwaltung, Kindergärtner, etc.. Über 50 Nationen vertreten Schulen für Lehrer, Schüler, Studenten, etc..

27 Wo die Geschichte weitergeht CERN und der LHC: Die Maschine pp Kollisionen bei 7 TeV/Proton Ca Bunches pro Ring, jeder ca. 100 Milliarden Teilchen Kollisionsrate: 40 MHz, ca. 20 pp Kollisionen/Stoß Insgesamt 4 Detektoren

28 Wo die Geschichte weitergeht CERN und der LHC: Die Maschine

29 Wo die Geschichte weitergeht CERN und der LHC: Das grosse Graben

30 Wo die Geschichte weitergeht CERN und der LHC: ATLAS >2000 Mitglieder aus >150 Institutionen in 34 Ländern. Basisdemokratische freiwillige Zusammenarbeit Grösse: : ca. 40 * 20 * 20 m, Masse : 6200 Tonnen Datenmenge : 500 Gbit/s, (soviel wie die gesamte Telekommunikation in der Welt 1998) Ca pp-kollisionen in 10 Jahren Laufzeit, wichtig davon: vielleicht bloss 10.

31 Wo die Geschichte weitergeht CERN und der LHC: ATLAS

32 Wo die Geschichte weitergeht CERN und der LHC: CMS Mitglieder ähnlich wie bei Atlas Gewicht: : Tonne, Maße: : ca 25 * 15 * 15 m Tracker aus Silizium: : 250 qm, Pixel-Detektor mit > 23 Mio Elementen auf 0.5 qm. Messing für hadronisches Kalorimeter aus dem Kupfer russischer Schiffsartillerie Elektromagnetisches Kalorimeter aus Kristalle, Masse entspricht der von 24 ausgewachsenen afrikanischen Elefanten Magnetfeld von 4 Tesla, Mal stärker als dass der Erde; Energie reicht aus um 19 Tonnen Gold zu schmelzen

33 Wo die Geschichte weitergeht CERN und der LHC: CMS

34 Wo die Geschichte weitergeht Amanda & IceCube: : Neutrinoastronomie am Südpol

35 Wo die Geschichte weitergeht Amanda & IceCube: : Neutrinoastronomie am Südpol

36 Epilog : Spin-Off Effekte Beispiele für Erfindungen der Teilchenphysik World Wide Web (Tim Berners-Lee CERN) Computertomograpie und 3-D 3 Imaging Neue Krebstherapien (mit Protonen/Ionen) Grid-Technologie, Nachfolger für das WWW? Vermessungstechnik, Materialverarbeitung, etc.

37 Epilog : Und Dresden? Erstellung eines Simulationsprogramms für Experimente am CERN/LHC: SHERPA (Gruppe besteht aus 9 Personen: 1 Postdoktorand, 4 Doktoranden, 3 Diplomanden) Vortrag unter Bilder & Material im Vortrag: CERN, Press & Publications, NASA/WMAP Science Team,

38 Ästhetisches aus der Blasenkammer