die zukunft der teilchenphysik ziele und … · teilchenphysik und kosmologie verständnis der...

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Die Zukunft der Teilchenphysik

Ziele und technologischeHerausforderungen

Prof. Dr. Michael FeindtProf. Dr. Günter QuastInstitut für Experimentelle KernphysikUniversität Karlsruhe

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Ziele und technologischeHerausforderungen

Prof. Dr. Michael FeindtProf. Dr. Günter QuastInstitut für Experimentelle KernphysikUniversität Karlsruhe

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Elementarteilchenphysikbeschäftigt sich mit den kleinsten Strukturen im Universum

Die Weltim Kleinen

m1km 0,001 m 01 0

Rosen

44

Die Weltim Kleinen

m1km 0,001 m 01 0

Rosen

55

Die Weltim Kleinen

Rosenblatt

m 1 0.dm 1

m 01 -1

66

Die Weltim Kleinen

Fliege

m 01 0.cm 1

m 01 -2

77

Die Weltim Kleinen

Fliegenauge

m 001 0.mm 1

m 01 -3

88

Die Weltim Kleinen

Fliegenauge

m 1 000 0.m 100 m 01 -4

µ

99

Die Weltim Kleinen

Detail imFliegenauge

m 01 000 0.m 10

m 01 -5

µ

1010

Die Weltim Kleinen

Elektronen-mikroskop-Aufnahme

m 001 000 0.m 1

m 01 -6

µ

1111

Die Weltim Kleinen

Elektronen-mikroskop-Aufnahme

m 1 000 000 0.nm 100

m 01 -7

1212

Die Weltim Kleinen

DNS-Molekül

m 01 000 000 0.nm 10

m 01 -8

1313

Die Weltim Kleinen

Molekül

m 001 000 000 0.nm 1

m 01 -9

1414

Die Weltim Kleinen

Atomebestehen aus

Kern und Elektronenhülle

m 1 000 000 000 0.nm 0.1

m 01 -10

1515

Die Weltim Kleinen

Atome sindfast leer,der Kern

ist sehr klein

m 01 000 000 000 0.pm 10

m 01 -11

1616

Die Weltim Kleinen

Atome sindfast leer,der Kern

ist sehr klein

m 001 000 000 000 0.pm 1

m 01 -12

1717

Die Weltim Kleinen

Radius des Kerns nur

ca. 1/10.000 der innersten

Elektronenbahn

m 1 000 000 000 000 0.fm 100

m 01 -13

1818

Die Weltim Kleinen

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen

m 01 000 000 000 000 0.fm 10

m 01 -14

1919

Die Weltim Kleinen

Proton/Neutronbestehen

aus Quarks

m 001 000 000 000 000 0.fm 1

m 01 -15

2020

Die Weltim Kleinen

PunktförmigeQuarks und Leptonen

m 1 000 000 000 000 000 0.fm 0.1

m 01 -16

2121

Die Weltim Kleinen


m 01 000 000 000 000 000 0.fm 0.01

m 01 -17

2222

Die Weltim Kleinen


m 001 000 000 000 000 000 0.fm 0.001

m 01 -18

2323

Die Weltim Kleinen

Quarks undLeptonenwirklichgar keine

Ausdehnung?

??

m 1 000 000 000 000 000 000 0.fm 1 0.000 m 01 -19

2424

Teilchenphysik und Kosmologie

Verständnis der Elementarteilchenphysik ist entscheidend für dasVerständnis des sehr frühen Universums.

Je höher die Energie, desto näher kommen wir an den Urknall heran.

Jetzt sind wir bei ca. 0 , 000 000 000 001 Sekunden.

2525

Urknall

2626

Der Stand der Dinge

Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik

1Heutiger Stand

Einfaches „Baukastenprinzip“zum Aufbau der

bekannten Materie

2727

Heutiger Stand

Einfaches „Baukastenprinzip“zum Aufbau der

bekannten Materie

2828

Heutiger Stand (2)Einheitliches Prinzip zur Beschreibung von „Kräften“: Austauschteilchen

Nur vier Grundkräfte

Gravitation entzieht sich dereinheitlichen Beschreibung !

2929

Gegenwart und nahe Zukunft:

Nahe Vergangenheit:LEP: e+e- Collider bei hohen Energien (90-200 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

3030

Elektron-Elektron-PositronPositron-Kollisionen-KollisionenSymmetrische Kollisionen bei hohen Energien (z.B. LEP).

Sehr saubere Ereignisse,weil Elektronenpunktförmig sind.

Messungen bei LEP haben das Standardmodell mit sehrhoher Präzision bestätigt.KEK

Fermilab

SLACCERN

DESYCornell

3131

Der LEP - Speicherring am CERNDer LEP - Speicherring am CERN

3232

Das CERN in GenfDas CERN in Genf::gegründet 1957

ca. 3000 Angestellte (davon 4 Nobelpreisträger) und 6000 Gäste(incl. Nobelpreisträger) aus 500 Instituten der ganzen Welt

Jahresbudget ca. 1.000.000.000 CHF

(Jeder deutsche Bürger: ca. 2 Euro / Jahr)

Stromverbrauch ca. 1.000.000 MWh/ Jahr

LEP: 7 Jahre Bau und 12 Jahre Operation ( 1989 - 2001 )

Zukunftsprojekt LHC im LEP Tunnel, Betrieb ab ca. 2007

3333

BlickBlick in denin den Tunnel:Tunnel:27 km27 km

Magnete undMagnete undBeschleunigungsstreckenBeschleunigungsstrecken

Im Strahlrohr:Vakuum besser als im interstellaren Raum

3434

SupraleitendeSupraleitendeBeschleunigungsstreckeBeschleunigungsstrecke

für LEP IIfür LEP II

Supraleitung: extreme Kühlung notwendig:nur knapp über dem absoluten Nullpunkt(kälter als die kosmische Hintergrundstrahlung)

3535

Zugang zum DELPHI-ExperimentZugang zum DELPHI-Experiment

3636

100 Meter tiefer: DELPHI100 Meter tiefer: DELPHI

3737

DELPHI EndplatteDELPHI Endplatte

3939

OPA

L Ex

perim

ent

am L

EP

4040

Offene Fragen


1Offene 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 ?

??? ??


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 ?


Higgs-Mechanismus zur Massenerzeugung ?

Party-Gäste im „Grundzustand“

Higgs-Feld

(Ge-)Wichtige Persönlichkeit betritt den Raum

Wechselwirkungmit dem „Higgs-Feld“ =>> Masse


Higgs-Mechanismus (2)

Ein Gerücht breitet sich im Raum aus

„Higgs“ wechselwirkt mit sich selbst !

Higgs hat selbst Masse !


Vereinheitlichung der KräfteBei kleinen Abständen werden die Kräfte immerähnlicher.

Gibt es ein„supersymmetrische“ Spiegelwelt ?


Dunkle Materie & Dunkle EnergieNeueste 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“ ?

4141

Proton-Proton-AntiprotonAntiproton-Kollisionen-Kollisionen

Mit Protonen sind höhere Energien als mit Elektronen erreichbar(LEP II: 200 GeV ==> Tevatron: 2000 GeV, LHC 14000 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‘‘.

4242

Der pp-Der pp-Collider TevatronCollider Tevatron

Main Ringund Tevatron

Neuer MainInjector

Fixed-TargetExperimente

CDFD0

Hauptgebäude

Fermi National Accelerator Laboratoryin Batavia nahe ChicagoFermiFermi National National Accelerator LaboratoryAccelerator Laboratoryin in Batavia Batavia nahe Chicagonahe Chicago

Weltrekord in Energie:2 TeV = 2000 GeV

KEK

SLAC

DESY

CERN

Cornell

Fermilab

•Top-Quark-Physik•b-Quark-Physik•Starke WW•Suche nach neuen Phänomenen

4343

Das CDF- ExperimentDas CDF- Experiment

>460 Wissenschaftler47 Institute9 Länder

4444

...

...

Hadronen-Therapie für ansonsten unbehandelbare Tumore

Das World Wide Web

Grid-Computing

NeuroBayes - Neuronale Bayes‘sche Statistik für die Wirtschaft

...

...

Spin-Offs die ,,Teflon-Pfannen‘‘ der Teilchenphysik

4545

Entwicklung vom CERNinitiiert(Prof. Ugo Amaldi)

Übliche Strahlentherapiezerstört nicht nur den Tumor,sondern auch das Gewebedavor und dahinter.

Hadronen-Strahlung kannauch in der Tiefe sehr genaulokalisiert werden.

Hadronen-Therapie

4646

Entwicklung amCERN (http-Protokoll)

Technisches Problem:Kommunikation in großeninternationalenKollaborationen

Innerhalb von 10 Jahren:Weltweiter Siegeszug.Heute fast in jedemHaushalt vorhanden

Das World Wide Web

4747

Das Internet

4848

Das Internet

4949

Das Internet

5050

Das Internet

5151

Das Internet

5252

Das Internet

5353

Das Internet

5454

Datenanalyse und statistische Methoden

Optimiert durch weltweiten Wettbewerb,aus den begrenzten und teuren Daten möglichst viele neue physikalische Erkenntnissezu extrahieren.

5555

Neuronale Netzwerke

Neuronale Netzwerke:Selbstlernende Computerverfahren, der Natur nachempfunden

Parietal CortexFrontal Lobe

Motor Cortex

Temporal Lobe

Brain Stem

Occipital Lobe

Cerebellum

5656

NeuroBayes

Die Information(das Wissen, die Expertise)steckt in den Verbindungenzwischen den Nervenzellen

Komplexe selbstlernendeExpertensysteme.

Können aufgrund vonhistorischen oder simuliertenDaten Wahrscheinlichkeitenfür Zukunftsprognosen

5757

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.

5858

Erkenntnis

Diese Methoden sind nichtnur in der Physikanwendbar

5959

Anwendungen von NeuroBayes in derWirtschaft

> 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.

6060

TechnologietransferAnwendungen von NeuroBayesin der Wirtschaft

Ausgründung aus der Universität Karlsruhe( -seed Programm des BMBF):

IT-Portal KarlsruheHaid- und Neustraße

6161



Die großen Zukunftsprojekte:

DerDer Large Hadron Large Hadron ColliderCollider LHC LHC und einund ein

ElektronElektron-Positron--Positron-LinearbeschleunigerLinearbeschleuniger


Die großen Zukunftsprojekte:

DerDer Large Hadron Large Hadron ColliderCollider LHC LHC und einund ein

ElektronElektron-Positron--Positron-LinearbeschleunigerLinearbeschleuniger


1. Large Hadron Collider (LHC) am CERN (ab 2007) die „Entdeckungsmaschine“

2. 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

Neue Beschleuniger zur Beantwortung der offenen Fragen:


Der Large Hadron Collider (LHC)

Vier geplante Experimente:

• ATLAS (pp-Physik)

• ALICE (Pb-Pb-Kollisionen)

• CMS (pp-Physik)

• LHC-B (Physik der b-Quarks)

• Proton-Proton-Beschleuniger im LEP- Tunnel am CERN• 14 TeV pro Kollision, d.h Bedingungen wie zu Zeiten10-13 -10-14 s nach dem Urknall


LHC – Parameter

~1600 geladene Teilchen im Detektor Hohe Teilchendichten sind eine Herausforderung für die Detektoren

• 2835×2835 Proton-Proton-Pakete („bunches“)

• 1011 Protonen/Paket

• Proton-Energie: 7 TeV

• Kreuzungsrate der p-Pakete: 40 Mhz

• bis zu 109 pp-Stöße/sec

• Luminosität: 1034 cm-2s-1 Design, 0.2×1034 cm-2s-1 anfänglich

• 23 Ereignisse im Detektor überlagert


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 !


LHC – erstaunliche Zahlen

• Gesamtenergie in Protonenstrahlen ...

E = 2 * 7 TeV * 2835 * 1,1 *1011 = 4,3659 * 1015 TeV = 7 * 108 J (40 t mit v = 187 m/s = 673 km/h)

... Bewegungsenergie eines Lastwagens mit der Geschwindigkeit eines Jumbo-Jets!

• Kühlung:

12 Millionen Liter flüssigen Stickstoff um 31 000 Tonnen Material abzukühlen

700 000 Liter flüssiges Helium zum Kühlen


pp-Kollision bei LHC

Proton

Proton


Zwiebelschalenstruktur eines Detektors


Teilchenspuren im Detektor

Selektive Rekonstruktion

Tausende von Teilchenspuren in jedem Ereignis

Manchmal gibt es einpaar interessante ... z.B. Higgs: eines in 1011 Kollisionen

Herausforderung für Detektorbau, Experimentiertechnik und Datenanalyse !

„Interessante Physik“ passiert sehr selten, Analyse bedeutet „Suche nach der Nadel im Heuhaufen“!


Ereignis- und Daten-Raten bei LHC

• Detektoren haben einige 107 Kanäle

• LHC Kollisionsrate: 40 MHz

• 10-12 bit/Kanal ~1000 Tbyte/s Rohdatenrate !

• Nullunterdrückung und „Trigger“ reduzieren Datenrate auf „nur“ (einige) 100 Mbyte/s

Level 1 - HardwareLevel 2 – Online Farm

40 MHz 40 MHz (1000 TB/sec)

(1000 TB/sec) ääquivalentquivalent

Level 3 – Online Farm 100 Hz (100 MB/sec

100 Hz (100 MB/sec

7575 Khz Khz (75 G (75 GB/sec

B/sec komplett digitalisiert

komplett digitalisiert))

55 Khz Khz (5 GB/sec)

(5 GB/sec)

(Wenn 6 Milliarden Menschen gleichzeitigtelefonieren, sind das (nur) 50 TB/sec )

Dieser Datenstrom muss weltweit verteilt werden !


Teilchenphysik ist international267 Institute in Europa, 4600 Benutzer208 Institute anderswo, 1600Benutzer

Karlsruhe


Das „World-Wide-Grid“ zur Analyse der LHC-Daten (Bsp. CMS)

Datenanalyse auf einemvirtuellen Supercomputer ...


Der CMS-Detektor

E Einiges ist bereits Realität ...


Bsp.: Die Suche nach dem Higgs mit CMS

H

•H → Z Z → 4µ•H → γγ

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 !


Elektron-Positron LinearbeschleunigerAlternative Strategie: Präzisionsmessungenstatt höchstmöglicher Energiee+e- Collider ideal für genaueste Messungen:• Punktförmige Teilchen

• Nur elektroschwache Wechselwirkung im Anfangszustand

• Schwerpunktsenergie genau einstellbar

• Vollständige Ereignis- rekonstruktion

TESLA (in Hamburg?)


Ziele eines LinearColliders

• Blick in den 1-10 TeV-Bereich und zu den höchsten Energien:• * Vereinigung der Kräfte• * Gravitation

Das Tesla-Konzept:

Gesamtlänge entspricht der des LEP-Tunnels

supraleitender Linearbeschleuniger

• Energie: mindestens 2×Mtop bis 400 GeV, ausbaubar bis 1000 GeV• Luminosität: Reaktionsraten typisch 1/Ecm

2

=> benötigt tausendfache LEP-Luminosität!• Variable Schwerpunktsenergie


PhysikpotenzialAuch wenn ein Higgs am LHCgefunden 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 !

Higgs- Ereignis im Linear-Collider-Detector

Präzise Spektroskopie aller SuSy-Teilchen bis 1TeV Masse

Energieabhängigkeit der Kopplungs- konstanten: der Weg zur Großen Vereinheitlichung Effekte von Quantengravitation, d.h. Graviton-Abstrahlung, wenn es große extra Raumdimensionen gibt


Zur Lektüre empfohlen:

http://www.dpg-fachgremien.de/t/ket/ketStudie/ketStudie.html

Broschüre der deutschen Teilchenphysiker zu Stand und Zukunft des Gebiets

Nov. 2002

6262

AMS-Experiment auf Internationaler RaumstationISS: (Start 2005)

Suche nachAntimaterieim Weltraum

Suche nachSupersymmetrie

Teilchenphysik-Experimente in Space

6363

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 Nachwuchskönnen wir es schaffen!

6464

The End

(?)

die zukunft der teilchenphysik ziele und … · teilchenphysik und kosmologie verständnis der...

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