Zukunft der Teilchenphysik - Institut für Experimentelle Kernphysik

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Zukunft der Teilchenphysik - Institut für Experimentelle Kernphysik

Die Zukunft der Teilchenphysik

Ziele und technologische

Herausforderungen

Prof. Dr. Michael Feindt

Prof. Dr. Günter Quast

Institut für Experimentelle Kernphysik

Universität Karlsruhe

1


Die Zukunft der Teilchenphysik

Ziele und technologische

Herausforderungen

Prof. Dr. Michael Feindt

Prof. Dr. Günter Quast

Institut für Experimentelle Kernphysik

Universität Karlsruhe

2


Elementarteilchenphysik

beschäftigt sich mit den kleinsten

Strukturen im Universum

Die Welt

im Kleinen

Rosen

10

0

0,001

m

1 m

km

3


Die Welt

im Kleinen

Rosen

4

10

0

0,001

m

1 m

km


Die Welt

im Kleinen

Rosenblatt

5

10

-1

m

1dm

0.1m


Die Welt

im Kleinen

Fliege

6

10

-2

m

1cm

0. 01m


Die Welt

im Kleinen

Fliegenauge

7

10

-3

m

1 mm

0. 001m


Die Welt

im Kleinen

Fliegenauge

8

10

-4 m

100 µ m

0. 000 1 m


Die Welt

im Kleinen

Detail im

Fliegenauge

9

0.

10

-5 m

10 µ m

000 01m


Die Welt

im Kleinen

Elektronen-

mikroskop-

Aufnahme

10

-6 m

1 µ m

10

0. 000 001m


Die Welt

im Kleinen

Elektronen-

mikroskop-

Aufnahme

0.

10

-7

m

100 nm

11

000 0001m


Die Welt

im Kleinen

DNS-Molekül

0.

10

-8

m

10 nm

12

000 000 01 m


Die Welt

im Kleinen

Molekül

0.

10

-9

m

1 nm

13

000 000 001m


Die Welt

im Kleinen

Atome

bestehen aus

Kern und

Elektronenhülle

0.

10

-10

m

0.1nm

14

000 000 000

1 m


Die Welt

im Kleinen

Atome sind

fast leer,

der Kern

ist sehr klein

0.

10

-11

m

10 pm

15

000 000 000 01 m


Die Welt

im Kleinen

Atome sind

fast leer,

der Kern

ist sehr klein

0.

10

-12

m

1pm

16

000 000 000 001 m


Die Welt

im Kleinen

Radius des

Kerns nur

ca. 1/10.000

der innersten

Elektronenbahn

0.

10

-13

m

100 fm

17

000 000 000 0001m


Die Welt

im Kleinen

Atomkerne

bestehen aus

Protonen und

Neutronen

0.

10

-14

m

10 fm

18

000 000 000 000 01m


Die Welt

im Kleinen

Proton/Neutron

bestehen

aus Quarks

0.

10

-15

1 fm

m

19

000 000 000 000 001m


Die Welt

im Kleinen

Punktförmige

Quarks und

Leptonen

0.

10

-16

m

0.1fm

20

000 000 000 000 0001m


Die Welt

im Kleinen

Punktförmige

Quarks und

Leptonen

0.

10

-17

m

0.01fm

21

000 000 000 000 000 01m


Die Welt

im Kleinen

Punktförmige

Quarks und

Leptonen

0.

10

-18

m

0.001fm

22

000 000 000 000 000 001m


Die Welt

im Kleinen

?

Quarks und

Leptonen

wirklich

gar keine

Ausdehnung?

0.

10

-19

m

0.000 1fm

23

000 000 000 000 000 0001m


Teilchenphysik und Kosmologie

Verständnis der Elementarteilchenphysik

ist entscheidend für das

Verständnis 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.

24


Urknall

25


Der Stand der Dinge

Heutiger Stand

1

Einfaches „Baukastenprinzip“

zum Aufbau der

bekannten Materie

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

26


Heutiger Stand

Einfaches „Baukastenprinzip“

zum Aufbau der

bekannten Materie

27


Heutiger Stand (2)

Einheitliches Prinzip zur

Beschreibung von „Kräften“:

Austauschteilchen

Nur vier Grundkräfte

Gravitation entzieht sich der

einheitlichen Beschreibung !

28


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

29


Elektron-Positron

Positron-Kollisionen

Symmetrische Kollisionen

bei hohen

Energien (z.B. LEP).

Sehr saubere Ereignisse,

weil Elektronen

punktförmig sind.

Cornell

Fermilab

DESY

KEK

Messungen bei LEP haben

das Standardmodell mit sehr

hoher Präzision bestätigt.

SLAC

CERN

30


Der LEP - Speicherring am CERN

31


Das 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

32


Blick in den Tunnel:

27 km

Magnete und

Beschleunigungsstrecken

Im Strahlrohr:

Vakuum besser als im interstellaren Raum

33


Supraleitung:

extreme Kühlung notwendig:

nur knapp über dem absoluten Nullpunkt

(kälter als die kosmische Hintergrundstrahlung)

Supraleitende

Beschleunigungsstrecke

für LEP II

34


Zugang zum DELPHI-Experiment

35


100 Meter tiefer: DELPHI

36


DELPHI Endplatte

37


OPAL Experiment am LEP

39


Offene Fragen

Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends:

1

• 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 ?

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

?

40


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 ?

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


Higgs-Mechanismus zur Massenerzeugung ?

Party-Gäste im

„Grundzustand“

Higgs-Feld

(Ge-)Wichtige Persönlichkeit

betritt den Raum

Wechselwirkung

mit dem „Higgs-Feld“

=>> Masse

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


Higgs-Mechanismus (2)

Ein Gerücht breitet sich im Raum aus

„Higgs“ wechselwirkt mit sich selbst !

Higgs hat selbst Masse !

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


Vereinheitlichung der Kräfte

Bei kleinen Abständen

werden die Kräfte immer

ähnlicher.

Gibt es ein

„supersymmetrische“ Spiegelwelt ?

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


Dunkle Materie & Dunkle Energie

eueste 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“ ?

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


Proton-Antiproton

Antiproton-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‘‘.

41


Der pp-Collider Tevatron

Fermi National Accelerator Laboratory

in in Batavia nahe Chicago

Weltrekord in Energie:

2 TeV = 2000 GeV

Fixed-Target

Experimente

CDF

D0

Fermilab

Cornell

DESY

KEK

Hauptgebäude

Main Ring

und Tevatron

SLAC

CERN

Neuer Main

Injector

•Top-Quark-Physik

•b-Quark-Physik

•Starke WW

•Suche nach neuen

Phänomenen

42


Das CDF- Experiment

>460 Wissenschaftler

47 Institute

9 Länder

43


Spin-Offs

die ,,Teflon-Pfannen‘‘ der Teilchenphysik

...

...

Hadronen-Therapie für ansonsten unbehandelbare Tumore

Das World Wide Web

Grid-Computing

NeuroBayes - Neuronale Bayes‘sche Statistik für die Wirtschaft

...

...

44


Hadronen-Therapie

Entwicklung vom CERN

initiiert

(Prof. Ugo Amaldi)

Übliche Strahlentherapie

zerstört nicht nur den Tumor,

sondern auch das Gewebe

davor und dahinter.

Hadronen-Strahlung kann

auch in der Tiefe sehr genau

lokalisiert werden.

45


Das World Wide Web

Entwicklung am

CERN (http-Protokoll)

Technisches Problem:

Kommunikation in großen

internationalen

Kollaborationen

Innerhalb von 10 Jahren:

Weltweiter Siegeszug.

Heute fast in jedem

Haushalt vorhanden

46


Das Internet

47


Das Internet

48


Das Internet

49


Das Internet

50


Das Internet

51


Das Internet

52


Das Internet

53


Datenanalyse und statistische Methoden

Optimiert durch weltweiten Wettbewerb,

aus den begrenzten und teuren Daten

möglichst viele neue physikalische Erkenntnisse

zu extrahieren.

54


Neuronale Netzwerke

Neuronale Netzwerke:

Selbstlernende Computerverfahren, der Natur nachempfunden

Frontal Lobe

Motor Cortex

Parietal

Cortex

Temporal Lobe

Brain Stem

Occipital

Lobe

Cerebellum

55


NeuroBayes

Die Information

(das Wissen, die Expertise)

steckt in den Verbindungen

zwischen den Nervenzellen

Komplexe selbstlernende

Expertensysteme.

Können aufgrund von

historischen oder simulierten

Daten Wahrscheinlichkeiten

für Zukunftsprognosen

56


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.

57


Erkenntnis

Diese Methoden sind nicht

nur in der Physik

anwendbar

58


Anwendungen von NeuroBayes in der

Wirtschaft

> 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.

59


Ausgründung aus der Universität Karlsruhe

( -seed Programm des BMBF):

Technologietransfer

Anwendungen von NeuroBayes

in der Wirtschaft

IT-Portal Karlsruhe

Haid- und Neustraße

60


Die Zukunft der Teilchenphysik

Die großen Zukunftsprojekte:

Der Large Hadron Collider

LHC

und ein

Elektron-Positron-

Linearbeschleuniger

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

61


Die großen Zukunftsprojekte:

Der Large Hadron Collider

LHC

und ein

Elektron-Positron-

Linearbeschleuniger

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


Neue Beschleuniger zur Beantwortung der offenen Fragen:

. Large Hadron Collider (LHC)

am CERN (ab 2007)

die „Entdeckungsmaschine“

. 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

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


Der Large Hadron Collider (LHC)

• 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

Vier geplante Experimente:

• ATLAS (pp-Physik)

• ALICE (Pb-Pb-Kollisionen)

• CMS (pp-Physik)

• LHC-B (Physik der b-Quarks)

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


LHC – Parameter

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

• 10 11 Protonen/Paket

• Proton-Energie: 7 TeV

• Kreuzungsrate der p-Pakete: 40 Mhz

• bis zu 10 9 pp-Stöße/sec

• Luminosität:

10 34 cm -2 s -1 Design,

0.2×10 34 cm -2 s -1 anfänglich

• 23 Ereignisse im Detektor überlagert

~1600 geladene Teilchen im Detektor

Hohe Teilchendichten

sind eine Herausforderung für die Detektoren

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


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 !

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


• Kühlung:

LHC – erstaunliche Zahlen

12 Millionen Liter flüssigen Stickstoff

um 31 000 Tonnen Material abzukühlen

700 000 Liter flüssiges Helium zum Kühlen

• Gesamtenergie in Protonenstrahlen ...

E = 2 * 7 TeV * 2835 * 1,1 *10 11 = 4,3659 * 10 15 TeV = 7 * 10 8 J

(40 t mit v = 187 m/s = 673 km/h)

... Bewegungsenergie eines Lastwagens mit der Geschwindigkeit

eines Jumbo-Jets!

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


pp-Kollision bei LHC

Proton

Proton

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


Zwiebelschalenstruktur eines Detektors

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


Teilchenspuren im Detektor

Selektive Rekonstruktion

Manchmal gibt es ein

paar interessante ...

z.B. Higgs: eines in

10 11 Kollisionen

Tausende von

Teilchenspuren

in jedem Ereignis

Interessante Physik“ passiert sehr selten,

Analyse bedeutet „Suche nach der Nadel im Heuhaufen“!

Herausforderung für Detektorbau, Experimentiertechnik und Datenanalyse !

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


Ereignis- und Daten-Raten bei LHC

• Detektoren haben einige 10 7 Kanäle

• LHC Kollisionsrate: 40 MHz

• 10-12 bit/Kanal

~1000 Tbyte/s Rohdatenrate !

Level 1 - Hardware

Level 2 – Online Farm

40 MHz (1000 TB/sec) TB/sec) äquivalent

Khz (75 GB/sec G

75 Khz

(Wenn 6 Milliarden Menschen gleichzeitig

telefonieren, sind das (nur) 50 TB/sec )

B/sec komplett komplett digitalisiert)

Khz (5 GB/sec) GB/sec)

5 Khz

Level 3 – Online Farm

• Nullunterdrückung und „Trigger“

reduzieren Datenrate auf

„nur“ (einige) 100 Mbyte/s

100 Hz (100 MB/sec MB/sec

Dieser Datenstrom muss

weltweit verteilt werden !

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


Teilchenphysik ist international

267 Institute in Europa, 4600 Benutzer

208 Institute anderswo, 1600Benutzer

Karlsruhe

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


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

Datenanalyse auf einem

virtuellen Supercomputer ...

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


Der CMS-Detektor

E

Einiges ist bereits Realität ...

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


Bsp.: Die Suche nach dem Higgs mit CMS

•H → γγ

•H → Z Z → 4µ

H

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 !

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


Elektron-Positron Linearbeschleuniger

TESLA (in Hamburg?)

Alternative Strategie:

Präzisionsmessungen

statt

höchstmöglicher Energie

e + e - Collider ideal für

genaueste Messungen:

• Punktförmige Teilchen

• Nur elektroschwache

Wechselwirkung im

Anfangszustand

• Schwerpunktsenergie

genau einstellbar

• Vollständige Ereignisrekonstruktion

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


Ziele eines LinearColliders

• Blick in den 1-10 TeV-Bereich und zu den höchsten Energien:

• * Vereinigung der Kräfte

• * Gravitation

• Energie: mindestens 2×M top

bis 400 GeV, ausbaubar bis 1000 GeV

• Luminosität: Reaktionsraten typisch 1/E cm

2

=> benötigt tausendfache LEP-Luminosität!

• Variable Schwerpunktsenergie

Das Tesla-Konzept:

supraleitender Linearbeschleuniger

Gesamtlänge entspricht der

des LEP-Tunnels

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


Physikpotenzial

Auch wenn ein Higgs am LHC

gefunden 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 !

Präzise Spektroskopie aller

SuSy-Teilchen bis 1TeV Masse

Higgs- Ereignis im Linear-Collider-Detector

Energieabhängigkeit der Kopplungskonstanten:

der Weg zur

Großen Vereinheitlichung

Effekte von Quantengravitation, d.h.

Graviton-Abstrahlung, wenn es

große extra Raumdimensionen gibt

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


Zur Lektüre empfohlen:

Broschüre

der deutschen Teilchenphysiker

zu Stand und Zukunft des Gebiets

Nov. 2002

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

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


Teilchenphysik-Experimente in Space

AMS-Experiment auf Internationaler Raumstation

ISS: (Start 2005)

Suche nach

Antimaterie

im Weltraum

Suche nach

Supersymmetrie

62


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 Nachwuchs

können wir es schaffen!

63


The End

(?)

64

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