LHC: Die größte Maschine der Welt - HEPHY
LHC: Die größte Maschine der Welt - HEPHY
LHC: Die größte Maschine der Welt - HEPHY
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong>
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Manfred Jeitler<br />
2
Atomhülle<br />
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Woraus besteht die Materie?<br />
• Durchmesser: 10 -10 m<br />
• Teilchen: Elektronen<br />
Atomkern<br />
• Durchmesser<br />
1 fm = 10 -15 m<br />
– “Femtometer”<br />
• Teilchen: Protonen,<br />
Neutronen<br />
Manfred Jeitler<br />
3
Einfachstes Beispiel:<br />
Wasserstoff<br />
Bestandteile des<br />
Protons:<br />
1 Elektron<br />
1 Proton<br />
Drei Quarks<br />
Atomhülle<br />
2 „up“<br />
1 „down“<br />
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Bestandteile eines Atoms<br />
• Negativ geladene Elektronen<br />
Atomkern<br />
• Positiv geladene Protonen<br />
• (Neutrale) Neutronen<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong>
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Wir bauen ein Universum:<br />
Elektronen<br />
Up<br />
Down<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Woher haben die Teilchen ihre Masse?<br />
Alle diese Menschen (“Higgs-Feld”) beeinflussen das Vorankommen <strong>der</strong> berühmten Person<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Der Higgs-Mechanismus <br />
Ein gleichförmiges Feld kann einem dieses passierenden Teilchen Masse verleihen<br />
<strong>Die</strong>ses Feld kann “Klumpen” bilden:<br />
das ist das Higgs-Teilchen <br />
Higgsmechanismus illustriert von<br />
David Miller
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong>
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
endlich gefunden!<br />
(?)
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
<strong>Die</strong> Milchstraße – eine Galaxie<br />
Nachthimmel zeigt die<br />
Milchstraße<br />
• Spiralgalaxie<br />
100 Milliarden Sterne<br />
• Durchmesser<br />
100 000 Lichtjahre<br />
• Unsere Sonne ist Teil davon<br />
• Rotationsgeschwindigkeit:<br />
300 km/s<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
• Astronomisch sichtbare Masse deckt sich nicht<br />
mit <strong>der</strong>, die aufgrund Gravitation vorhanden sein<br />
muss:<br />
Dunkle Materie<br />
„Bullet Cluster”: normale Materie (lila)<br />
und “Dunkle Materie” (blau)"<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Dunkle Materie und Dunkle Energie<br />
• Dunkle Materie<br />
• sichtbar durch<br />
Gravitationseffekte<br />
• Heuzutage beobachtet<br />
man zusätzlich eine<br />
Beschleunigung <strong>der</strong><br />
Ausdehnung des<br />
Universums:<br />
Dunkle Energie<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Ungelöste Fragen<br />
Woraus besteht das Universum?<br />
Was ist die Dunkle Materie?<br />
Weshalb gibt es im Universum keine Anti-Materie?<br />
Woher haben die Teilchen ihre Masse?<br />
Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die<br />
Physik des ganz Kleinen geben – die<br />
Elementarteilchenphysik<br />
Dazu verwendet man einen Teilchenbeschleuniger<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Der einfachste Beschleuniger<br />
Ein Röhrenfernseher ist <strong>der</strong> einfachste<br />
elektrostatische Beschleuniger:<br />
Erzeugung von freien Elektronen mittels<br />
Glühkathode<br />
Beschleunigung mittels Hochspannung<br />
Ablenkung mittels magnetischer Fel<strong>der</strong><br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Energieeinheit <strong>der</strong> Teilchenphysiker<br />
1 Elektronenvolt (1 eV) ist die kinetische Energie, die ein Teilchen mit <strong>der</strong><br />
Ladung e 0 erhält, wenn es durch eine Spannung von 1 Volt beschleunigt<br />
wird.<br />
• Protonen im <strong>LHC</strong> haben Energien von 4000<br />
Milliarden (4 Billionen) Elektronenvolt:<br />
„Tera-Elektronenvolt“<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Komponenten eines Ringbeschleunigers<br />
• Teilchen (Elektronen o<strong>der</strong> Protonen)<br />
• Beschleunigung (Hochfrequenz-Kavität )<br />
Magnete zum<br />
• Ablenken (Dipol)<br />
• Fokussieren (Quadrupol)<br />
Ein o<strong>der</strong> mehrere<br />
Detektoren an den<br />
Kollisionspunkten<br />
Manfred Jeitler<br />
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CERN Luftbild<br />
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Lyon<br />
Large Hadron<br />
Colli<strong>der</strong> (<strong>LHC</strong>)<br />
Manfred Jeitler<br />
27 km <br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Manfred Jeitler<br />
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• Umfang 26659 Meter<br />
• Besteht aus<br />
– 1232 Dipole,<br />
– 858 Quadrupole,<br />
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Large Hadron Colli<strong>der</strong><br />
– 16 Hohlraum-Resonatoren<br />
• Acht Zugangspunkte mit<br />
– Experimenten<br />
– Beschleunigung<br />
– Beam-Dump<br />
– Beam-Cleaning<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
56.0 mm<br />
+- 3σ<br />
~1.3 mm<br />
7.5m<br />
Beam<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Manfred Jeitler<br />
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Kollisionen<br />
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
• <strong>Die</strong> Protonen haben 99.999999% <strong>der</strong> Lichtgeschwindigkeit und eine<br />
kinetische Energie von 4 TeV.<br />
• Alle 25 ns treffen zwei Wolken, jede gefüllt mit jeweils 10 11<br />
(100 Milliarden) Protonen aufeinan<strong>der</strong><br />
• Dabei kollidieren 20-50 Protonen miteinan<strong>der</strong><br />
up quark<br />
gluons<br />
proton<br />
down quark<br />
Manfred Jeitler<br />
25
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Zum detektieren <strong>der</strong> so entstandenen Teilchen<br />
brauchen wir:<br />
eine Apparatur, die von möglichst allen Teilchen<br />
• ihre Impulse p=m·v<br />
Masse mal Geschwindigkeit<br />
• und ihre Energie misst<br />
um daraus<br />
• ihre Ladung und<br />
• die Art <strong>der</strong> Teilchen<br />
(Elektronen, Myonen,<br />
Photonen,…)<br />
zu bestimmen:<br />
Teilchendetektor<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Compact<br />
Muon<br />
Solenoid<br />
100 m unter <strong>der</strong> Erde<br />
Höhe: 22 m<br />
Durchmesser: 15 m<br />
Gewicht: 14 500 Tonnen<br />
(fast doppelt so schwer wie <strong>der</strong> Eiffelturm)<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Spurkammer – Der “Tracker”<br />
Im innersten Teil eines solchen Detektors verwendet man<br />
meist eine Art “Digitalkamera”:<br />
Digitalkamera:<br />
• Typisch 2 x 3 cm 2 in<br />
Spiegelreflexkamera<br />
• 3-5 Fotos pro Sekunde<br />
Chip einer<br />
Digitalkamera<br />
CMS Tracker:<br />
• 200 m 2<br />
Detektorfläche<br />
• 40 Millionen 3D-<br />
„Fotos“ pro Sekunde<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Teilchenkollisionen in CMS<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
C.-E. Wulz 31 ESA, Sep. 2012<br />
31
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
C.-E. Wulz 32 ESA, Sep. 2012<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
H → 2γ
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Erkenntnisgewinn<br />
Im Grunde sind wir neugierig<br />
• Was geschah beim Urknall?<br />
• Was wird in Zukunft mit dem Universum passieren?<br />
• Expandiert das Universum bis in alle Ewigkeit?<br />
• Warum sind die Elementarteilchen so schwer?<br />
• Warum gibt es kaum Antimaterie im Universum?<br />
• Woraus besteht das Universum?<br />
Zusammengesetze Aufnahme aus<br />
normaler Materie (rot) und Dunkler Materie<br />
(blau)"<br />
Manfred Jeitler<br />
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• Erfunden am CERN<br />
von Tim Berners-Lee<br />
• Text mit Hyperlinks<br />
Einfache und schnelle<br />
Methode, um<br />
wissenschaftliche<br />
Ergebnisse<br />
auszutauschen<br />
• Erster Webserver lief<br />
am CERN<br />
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Das World Wide Web<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Krebstherapiezentrum MedAustron<br />
• Therapiezentrum für<br />
Krebstumore bei Wiener<br />
Neustadt<br />
– Baubeginn 2011<br />
– Erste Patientenbehandlung<br />
2014<br />
– Verwendet Beschleunigertechnik<br />
vom CERN<br />
• Entwicklung gemeinsam mit<br />
CERN<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Tumorbestrahlung mit Hadronen<br />
• Vorteile gegenüber<br />
Bestrahlung mit Elektronen<br />
o<strong>der</strong> Photonen<br />
• Hadronen schädigen gezielt<br />
Tumorgewebe und verschonen<br />
gesundes Gewebe vor dem<br />
Tumor (Bild: Rückenmark)<br />
Photonen<br />
41Gy<br />
Dosis (%)<br />
• Physik: „Bragg-Peak“<br />
• Nachteile<br />
– Technik komplizierter als<br />
Elektronen- o<strong>der</strong> Gamma-<br />
Bestrahlungseinrichtungen<br />
– Großer Beschleuniger benötigt<br />
Kohlenstoff-Ionen<br />
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Positron-Emissions-Tomographie (PET)<br />
• Bildgebenes Verfahren in <strong>der</strong> Nuklearmedizin<br />
• Verwendet Antimaterie, um Signal in Detektoren zu<br />
erzeugen.<br />
• Den Patienten wird ein<br />
Positronen ausendendes<br />
Mittel verabreicht<br />
• Positronen reagieren mit<br />
Elektronen und erzeugen<br />
zwei Lichtblitze in genau<br />
entgegengesetzten<br />
Richtungen<br />
• Detektierung <strong>der</strong> Lichtblitze<br />
mit Detektoren<br />
• Bild entsteht im Computer<br />
Manfred Jeitler<br />
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• CERN und <strong>HEPHY</strong> bieten ein<br />
exzellentes Arbeitsumfeld<br />
• Je<strong>der</strong> österreichische Student<br />
<strong>der</strong> Naturwissenschaften kann<br />
am CERN seine Diplomarbeit<br />
o<strong>der</strong> Disseration machen<br />
– Physik<br />
– Elektrotechnik<br />
– <strong>Maschine</strong>nbau<br />
– Informatik<br />
• Interessantes Arbeitsumfeld<br />
• Wissen wird nach Abschluss<br />
wie<strong>der</strong> nach Österreich<br />
zurückgebracht<br />
<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Ausbildungsmöglichkeiten<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
Grundlagenforschung als Motor<br />
für Innovation<br />
A. Einstein<br />
Relativitätstheorie<br />
100%<br />
Wissenschaft<br />
J.C. Maxwell<br />
Elektromagnetismus<br />
100%<br />
Wissenschaft<br />
Manfred Jeitler<br />
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<strong>LHC</strong>: <strong>Die</strong> <strong>größte</strong><br />
<strong>Maschine</strong> <strong>der</strong> <strong>Welt</strong><br />
DANKE<br />
Mehr Informationen im Internet unter<br />
• http://www.cern.ch<br />
• http://www.hephy.at<br />
manfred.jeitler@cern.ch<br />
Manfred Jeitler<br />
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