Teilchen, Thesen, Temperamente

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 1 Teilchen, Thesen, Temperamente Einblicke in Forschungsprojekte des MPP

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 Temperamente Projektleiter Direktoren

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 3 Physikalische Grundlagenforschung am MPP Mikrokosmos Makrokosmos

Struktur und wissenschaftliche Themen des MPP Theorie Technologie- Entwicklung Experiment Teilchenphysik Struktur der Materie auf den kleinsten und grössten Skalen Astro-Teilchenphysik Teilchenbeschleuniger bei höchsten Energien Hochpräzision bei kleinen Energien Kosmische Quellen LHC, hl-lhc, Awake, Detektorentwicklung Teilchen-Phänomenologie, Fundamentale Theorie BELLE, GERDA Detektorentwicklung Teilchen-Phänomenologie, Fundamentale Theorie MAGIC, CRESST, Detektorentwicklung Teilchen-Kosmologie, Astro-Teilchen-Phänom. Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 4

Dimensionen und Struktur der Materie Dimensionen und Struktur der Materie Universum 10 26 m Galaxie 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?????????? Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 5

Quarks Leptonen u d e e Teilchen und Thesen: Das Standardmodell der Teilchenphysik Elementare Teilchen Generation 1 2 3 c s µ... sowie deren Antiteilchen t b τ µ τ Stark El.-magn. Elementare Kräfte Schwach Gravitation Austauschboson Habemus Higgsum S.Bethke, MPP München Univ. Dortmund, 8. April 2013 6 g γ W ±, Z 0 Beschreibung der Kräfte (ausser Grav.!) durch Quantenfeldtheorien Damit werden alle bekannten Teilchen und Kräfte beschrieben! (bekannte Materie besteht aus Teilchen der 1. Generation) theoretische Vorhersage zur Erklärung der verschiedenen Teilchenmassen: das HIGGS Boson bis vor kurzem noch unentdeckt G relative Stärke 1 1/137 10-14 10-40

Das expandierende Universum γ Zeit GEGENWART Temperatur Alter 2.7 K 13.7 Milliarden Jahre Wir sind hier γ Schwere Sterne Schweres Atom. erste Supernovae Entstehung von Sternen und Galaxien 1 1 K 1 Milliarde Jahre Astronomie Wasserstoff Atom n e Q Q Q LHC Q p Z Z e γ γ Q e e e Helium Atom e p n n p W e Q p g e Proto-Galaxie γ p Proton (Wasserstoff-Kern) Q Q Q Proton (Baryonen) Q Q e Q p n n p Helium-Kern g Gluon e n Q γ Photon γ Q? p X p Q e e Elektron e Positron Q? L? UNIVERSUM WIRD TRANSPARENT Bildung von Atomen. Entkopplung von Strahlung und Materie. Nukleosynthese von Helium Positronen verschwinden Formation von Protonen und Neutronen Antiquarks verschwinden Asymmetry Q - Q L - L Inflation GROSSE VEREINHEITLICHUNG QUANTEN- GRAVITATION 10 10 K 1 sec. 15-10 10 K 10 sec Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 Y?? p n Neutron? Neutrino Q Q Q? L Q?? materiedominierte Ära strahlungsdominierte Ära Urknall 1.000 K 27 10 K 31 10 K 300 000 Jahre 10 16 K 10-15 sec -34 10 sec -43 10 sec Teilchenbeschleuniger 7

Das Standardmodell der Teilchenphysik...... beschreibt erfolgreich und präzise alle bekannten Teilchen und Kräfte... kann jedoch nicht die ultimative Theorie sein! es lässt viele fundamentale Fragen offen: Erzeugung der Teilchenmassen (Higgs-Boson?) bisher noch keine Quantenfeldtheorie der Gravitation Vereinheitlichung aller Kräfte (GUT; TOE)? wo ist die Antimaterie geblieben? ( warum gibt es uns? ) was sind die Dunkle Materie und Energie die 95% unseres Universums ausmachen? warum sind Neutrinos nicht masslos? Physik mit kosmischen und irdischen Beschleunigern SS14 V1: Einführung S.Bethke, MPP München 8

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 9 if it s not dark it doesn t matter

Teilchen, Teilchenphysik Thesen, mit kosmischen Temperamente und mit erdgebundenen Beschleunigern S. Bethke TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V08: Max-Planck-Institut Dunkle Materie für Physik, 3. Juni 2014 10

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 11 the most en vogue candidates to solve (some of) these problems: Supersymmetry (SUSY) + fully compatible with and supported by GUT s + offers excellent Dark Matter candidates + theory finite and computable up to Planck Mass + essential for realisation of string theory (including quantum gravity) - no SUSY signals seen yet (LEP, Tevatron) - (too) many free parameters, large parameter space Extra Space Dimensions + would solve hierarchy problem (M Planck > O(1 TeV)) + inspired by string theory: compactified extra dimensions +- exciting scenarios, but cannot solve many of above problems? - large model dependences

die coolsten Kandidaten zur Lösung dieser Fragen: Super-Symmetrie (SUSY) + voll kompatibel mit GUT (grosse Vereinheitlichung aller Kräfte) + bietet exzellente Kandidaten für Teilchen der Dunklen Materie + Theorie endlich und berechenbar bis zur Planck-Masse (10 19 GeV) + essentieller Bestandteil der String-Theorie - bisher keine SUSY Signale gesehen - (zu) viele Parameter; grosser Parameter Raum Zusätzliche Raumdimensionen + Lösung einiger Probleme des SM (Hierarchie-Problem) + inspiriert von String-Theorie; kompaktifizierte Extra-Dimensionen - grosse Modellabhängigkeiten Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 12

Projekte Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 13

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 14 July 4, 2012: observation of a new boson

Der ATLAS Detektor am Large Hadron Collider Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 15 Länge: 44 m Höhe: 22 m Gewicht: 7000 t 3000 Physiker & Ingenieure 175 Institute 40 Nationen 150 10 6 elektron. Auslese-Kanäle 40 MHz Kollisionsrate 10 14 B/s Rohdatenfluss Beiträge des MPP: outer muon barrel chambers fwd Si tracker end cap hadron calorimeters Planung & Aufbau von 1990 bis 2008; Betrieb ab 2009, für ~ 20-25 Jahre

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Higgs Kandidat Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 17

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 18 Kosmische Strahlung Quelle hochenergetischer Teilchen MAGIC Teleskope

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 19 Targets SNRs Binaries Cluster of Galaxy AGNs GRBs wissenschaftliche Ziele: Ursprung kosmischer Strahlung hoch energetische Objekte Raum & Zeit Kosmologie Dunkle Materie Zukunft: Cherenkov Telescope Array

High Energy Gamma Ray Astronomy! CTA will bring many new discoveries and findings. Strategy and Physics beyond CTA will be dependent on these new findings Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 20

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 22 Suche nach der Dunklen Materie direkt: Large Hadron Collider... (direkte Produktion und Vermessung der Eigenschaften) Suche nach WIMP* Stößen in Cryo-Detektoren indirekt: WIMP Paar-Vernichtung in Erde, Sonne, Galaxie- Zentrum (in 2 Photonen, oder Neutrino-Antineutrino; Neutrino-Teleskope wie ICECUBE, cosmic ray exps.) weiterhin auch noch: Suche nach nichtleuchtender, baryonischer Materie (MACHOS, massive compact halo objects) primordial black holes...? * WIMP: Weakly Interacting Massive Particle

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 23 CRESST - Suche nach Dunkler Materie Gran Sasso: Abschirmung kosmischer Strahlung Kristalle im Kryostat bei µk Temperaturen.

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 24 CRESST - kryogene Suche nach WIMPs WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles; WIMP Thermometer

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 25 Das GERDA Experiment Suche nach neutrinolosem Doppel-beta-Zerfall von 76 Ge

Belle II am Super KEKB (Japan) Präzisionsmessungen bei kleinen Kollisionsenergien zur Suche nach Physik jenseits des Standardmodells Si-Pixel vertex detector (Entwicklung am MPG-HLL) e + e - Beschleuniger am KEK, Japan. eine sogen. b-quark factory Betriebsbeginn: Ende 2016 50x50 μm 2 8 MPixels, 50 khz Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 26

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 28 Plasma Wake Field Acceleration Entwicklung eines neuartigen Beschleunigungsprinzips

Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 30 30 Zukunft Gegenwärtiger Zeitplan für globale Grossprojekte der Hochenergie-Teilchenphysik R&D construction running 2010 2015 2020 2025 2030 2035 LHC hl-lhc ILC skekb CLIC, FCC;

International Linear e + e Collider (ILC) Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 31

Linear Collider Detektorentwicklung Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 32

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