50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur

50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Siegfried Bethke Max-Planck-Institut für Physik (Werner Heisenberg Institut) München vom Kosmos zu den Quarks - Materie und fundamentale Kräfte Sonden zur Auflösung kleinster Strukturen CERN: 50 Jahre Geschichte des europäischen Zentrums für Teilchenphysik fundamentale offene Fragen die Zukunft: der Large Hadron Collider 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

Dimensionen und Struktur der Materie Universum Galaxie 10 26 m 10 21 m Sonnensystem 10 13 m Erde 10 7 m Mensch 10 0 m Atom 10-10 m Atomkern 10-14 m Nukleon 10-15 m?? Quark; Lepton < 10-18 m???????? 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

Aufbau der Materie und fundamentale Kräfte: Das Standardmodell der Teilchenphysik Elementare Teilchen: (sowie jeweilige Anti-Teilchen) Sichtbare Welt besteht nur aus Teilchen der ersten Generation! Fundamentale Kräfte: Elementare Kräfte (Wechselwirkungen) kommen durch Austausch von besonderen Teilchen (Austauschbosonen) zustande. Quarks Leptonen Wechselwirkung Familien relative Reichweite zugehörige Austauschteilchen Stark subatomar Gluon (g) Electromagnet. unendlich Photon (!) + _ Schwach subatomar W, W, Z Gravitation unendlich Graviton (G) T h e o r e t i s c h e V o r h e r s a g e z u r E r z e u g u n g d e r T e i l c h e n m a s s e n :! Higgs-Teilchen (H) ; bisher unentdeckt 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München u d! e e c s! µ t b! " µ " elektr. Ladung 2/3-1/3 0-1 st em schw grav x x x x x x x x - - x x? - x x x 0 Kräfte relative Stärke 1 1 137 10-14 10-40

. Die Geschichte des Universums!! Zeit GEGENWART Temperatur Alter 2.7 K 13.7 Milliarden Jahre Wir sind hier!! Schwere Sterne Schweres Atom erste Supernovae Entstehung von Sternen und Galaxien Proto-Galaxie UNIVERSUM WIRD TRANSPARENT! Bildung von Atomen. Entkopplung von 300 000 1.000 K Jahre Wasserstoff Atom Helium Atom Strahlung und Materie. p p! e! n n p p! e! e Helium-Kern p e Neutrino! n n p p! Elektron e p Nukleosynthese Proton Photon von Helium (Wasserstoff-Kern) 10 10 n n K Positronen verschwinden 1 sec.! p e n p Neutron Q! e Q e Q Q Q Q Q Q Formation von Q! Positron Protonen und Neutronen e e! Q Proton Q (Baryonen) Antiquarks verschwinden 10 15 K 10-10! g! sec! Gluon Q Z W 10 Asymmetry Q - Q L - L 16 K 10-15 sec Q Q Q? 27 e Y! 10 K 10-34 sec L Inßation Q Q!! Q g! X? GROSSE VEREINHEITLICHUNG?? Z e e Q! QUANTEN- 31 Q GRAVITATION 10 K 10-43 sec L 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen? Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München LHC!!????? materiedominierte Ära strahlungsdominierte Ära Urknall 11 K 1 Milliarde Jahre Teilchenbeschleuniger

Woher wissen wir dies alles? Wie kann man Quarks und Leptonen sehen? Wie kann man die zwischen ihnen wirkenden Kräfte erforschen und theoretisch beschreiben? (eine mögliche, aber nicht sehr wissenschaftliche Methode...) 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

Sonden zur Auflösung kleinster Strukturen Außösung subnuklearer Strukturen } Hohe Energien (Kleine Wellenlängen) der 'Sonden' Sonde!s! " # 1/$ Kleinster noch trennbarer Abstand zweier Objekte Wellenlänge der 'Sonde': z.b. Licht, Elektronen, Protonen Energie der Sonden elektromagn. Welle: E = h % = h c " massives Teilchen: E=m" c 2 # h " c $ % $ = h m " c 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

Sonden zur Auflösung kleinster Strukturen Sonde, Instrument typ. Energie Außösung bis ca. außösbare Objekte sichtbares Licht 1... 3 ev 10-6 m Viren Röntgenstrahlung; Elektronenmikroskop 10 kev 10-10 m Atome, Kristallstrukt. niederenergetische Teilchenbeschleuniger Moderne Teilchenbeschleuniger (LEP, HERA) 100 MeV 10-14 m 100 GeV 10-17 m Atomkern Quarks & Co. Zukunft: - Large Hadron Collider (in Bau; Start 2007) 14 TeV 10-19 m???? 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

Europäisches Zentrum für Teilchenphysik CERN / Genf ATLAS L3 Alice SPS LEP / LHC ALEPH CMS OPAL DELPH LHCb I LEP: e + e Kollisionen 1989 2000 LHC: p p Kollisionen ab 2007 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

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1. Juli 1953: Unterzeichnung der CERN Konvention Bundesrepublik Deutschland Königreich Norwegen Königreich Belgien Königreich Dänemark Französische Republik Königreich Griechenland Königreich der Niederlande Vereinigtes Königreich Großbritanien und Nordirland Königreich Schweden Schweizer Konföderation Italien Volksrepublik Jugoslawien 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

10. Juni 1955: Grundsteinlegung durch den ersten CERN Generaldirektor, Felix Bloch. 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

CERN Baustelle ~1956 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

Teilchendetektor am LEP: OPAL 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

e + e Vernichtungsreaktionen, gemessen mit OPAL bei LEP: Quantenmechanik: Jedes Mal passiert etwas anderes! zum Beispiel: e + µ+ e e e +!, Z 0 µ e + e "> µ+µ" q!, Z 0 g q q e + e "> q q oder qqg q 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

Einige Highlights von LEP & Co:!" = 2.984 ± 0.008 Resonanzlinie des Z 0 bei LEP: es gibt genau 3 Neutrino- (Teilchen-) Familien! M Z = (91.1875 ± 0.0021) GeV (...nach Korrektur auf Mondphasen und TGV-Fahrplan) exp. Tests des Standardmodells der Teilchenphysik im Promillebereich Präzisionsmessungen der Stärke der Starken Kraft: # s läuft ; Beweis der Asymptotischen Freiheit, des Confinement und damit der QCD! Grenzen für die Masse des Higgs-Boson bisher unentdeckt, aber von Theorie vorhergesagt: 114.1 GeV < MH < 185 GeV 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

Das Standardmodell der Teilchenphysik... beschreibt die vereinheitlichte Elektroschwache Wechselwirkung und die Starke Wechselwirkung mit eichinvarianten Quantenfeldtheorien ist extrem erfolgreich in konsistenter und präziser Beschreibung der bis heute beobachteten Teilchenreaktionen... kann jedoch nicht die ultimative Theorie sein: es versagt bei sehr hohen Energien (Unitaritätsverletzung) > es muss etwas passieren im Bereich E ~ 100 GeV 1 TeV es hat zu viele freie Parameter (Kopplungsstärken, Massen,...) es lässt viele fundamentalen Fragen offen: 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

fundamentale offene Fragen: 1. Was ist der Ursprung der Masse? - Existiert das Higgs Teilchen? - Falls nein, wie sonst erhalten die Teilchen Masse? 2. Warum gibt es 3 Quark-/Leptonfamilien? Warum ist (Ladung des e - ) = -(Ladung des p)? 3. Wo ist die Antimaterie im Universum? 4. Gibt es eine Universalkraft als gemeinsame Urkraft? -> GUT 5. Gibt es bisher unbekannte Formen von Materie? - Ist unsere Welt supersymmetrisch? - Besteht die dunkle Materie aus dem leichtesten supersymmetrischen Teilchen? 6. Gibt es verborgene Raumdimensionen? - warum ist Gravitation so viel schwächer als die anderen Kräfte?... 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

Beantwortung der (meisten) offenen, fundmentalen Fragen: Proton-Proton Beschleuniger im LEP-Tunnel am CERN Der Large Hadron Collider (LHC) p! " p 7 TeV 7 TeV - Höchste Energien pro Kollision - Höchste Luminositäten Vier geplante Experimente: ATLAS, CMS (pp-physik) LHC-B (Physik der b-quarks) ALICE (Pb-Pb Kollisionen) Gebaut in einer internationalen Kollaboration aus 34 Ländern Geplante Inbetriebnahme: 2007

Der Large Hadron Collider (LHC) Proton Proton Kollisionen: 2835 x 2835 Pakete (bunches) Abstand: 7.5 m ( 25 ns) 10 11 Protonen / bunch Kreuzungsrate der p-pakete: 40 Mio. mal / sec. Luminosität: L = 10 34 cm -2 sec -1 Proton-Proton Kollisionen: ~10 9 / sec (Überlagerung von 23 pp-wechselwirkungen während einer Strahlkreuzung) ~1600 geladene Teilchen im Detektor! hohe Anforderungen an die Detektoren 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

ATLAS am Large Hadron Collider / CERN Konstruktion & Bau bis 2006, Betrieb ab 2007, Laufzeit ~ 15-20 Jahre 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

ATLAS Halle (04/2004) 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

~ 1800 Physiker und Ingenieure 151 Institute 35 Nationen 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

LHC Data and Computing the challenge: 40 MHz collision rate > unfiltered data flow ~ 10 14 B/s 4 experiments; 50-200 Hz data taking rate (~10 Billion phone calls) raw event size: 0.12 / 1 / 1-25 MB (LHCb / ATLAS-CMS / ALICE) total raw data storage: 7 PB/a total simulated Data storage: 3.2 PB/a (7 10 15 Bytes/year; 100 000 km thick pile of A4-paper) world-wide* tape storage: 28.5 PB/a (40 million CD-Rom s) world-wide* disk storage: 10.4 PB/a (140k disks à 75 GB) world-wide* CPU capacity: 7350 k SI-95 (360k today s PCs) WAN bandwidth (Tier-0/-1): 1500 Mbps (1 experiment) (5000 Mbps when serving all 4 exp. s) * all Tier-0, Tier-1 and Tier-2 computing centres, excl. Tier-3 and -4 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

The LHC Data Grid 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München

The End www.mppmu.mpg.de Tag der offenen Tür am MPI für Physik, München: Sa, 16.10.2004 50 Jahre CERN - den kleinsten Teilchen auf der Spur Tag der offenen Tür 16. Oktober 2004 S.Bethke MPI für Physik, München