Der Urknall im Labor

Der Urknall im Labor –
Experimente mit schweren Atomkernen bei hohen
Energien
Harald Appelshäuser
Institut für Kernphysik
JWG Universität Frankfurt
Aufbau der Materie
Materie
Kristall
Atom
Atomkern
Protonen
und
Neutronen
Quarks
• Die Masse der Materie steckt überwiegend in den Atomkernen
• Die kleinsten bekannten Bauteile der Materie sind Quarks
Standardmodell der Teilchenphysik
Es gibt 12 elementare Bausteine der Materie
(und ihre Anti-Teilchen)
Die Bausteine lassen sich nach drei
Generationen sortieren (Massenunterschied
jeweils etwa Faktor 10-100)
Zum Aufbau der uns bekannten Materie
werden nur drei benötigt (u, d, e).
Standardmodell der Teilchenphysik
• Es gibt vier fundamentale Kräfte in der Natur
• Die starke Kraft wirkt zwischen Quarks
und wird durch Gluonen vermittelt
Quarks und Hadronen
u
d
u
_
u
Æ Hadronen
u
Baryonen (qqq)
z.B.
Proton (uud)
Neutron (udd)
…
_
Mesonen (qq)
z.B. _ _ _ _
Pion (uu,dd,du,ud)
…
• Quarks tragen Farbe
• Gluonen sind die Austauschteilchen der starken WW
(Quantenchromodynamik, QCD)
• In der Natur sind nur farbneutrale Hadronen erlaubt (confinement)
Elektromagnetische und starke Kraft
Elektron - Proton
Quark - Quark
Vstark(r)
VEM(r)
Æ Farbeinschluss
r
r
VEM (r ) = −
α hc
r
α: elektromagnetische Kopplungs-“konstante“
Vstark (r ) = −
4 αs h c
+ kr
3 r
αs : starke Kopplungs-“konstante“
Farbeinschluss
_
u
_
u
u
_
u
_
u
d
d
_
d
_
d
u
u
Energie des
Farbfeldes
steigt an
u
Neues
Quark-Antiquarkpaar
wird produziert
E = m c2
Æ Freie Quarks sind nicht beobachtbar!
Farbneutrale
Hadronen
Laufende Kopplung und asymptotische Freiheit
großer Abstand
r
kleiner Abstand
Die starke Kopplungskonstante ist
nicht konstant, sondern hängt vom
Abstand ab (running coupling constant).
Bei sehr kleinen Abständen bzw.
hohen Energien wird die Kopplung
schwach (asymptotische Freiheit).
Gross, Politzer, Wilczek (1974)
Nobelpreis 2004
Confinement
Atomkern
Protonen und Neutronen
ABER: Bei kleinen Abständen (Æ hohen Dichten) oder hohen Energien (Æ hohen
Temperaturen) verschwindet die starke Kraft zwischen den Quarks und
Gluonen….
Deconfinement
Neuer Zustand von Materie!
(Quasi-)freie Quarks und Gluonen
Æ deconfinement
Quark-Gluon-Plasma (QGP)
Frühes Universum
10 –6 sec
10 –4 sec
1012 K
1010 K
3 min
109 K
14 Milliarden Jahre
3K
Kern-Kern Kollisionen bei hohen Energien
Zeit
Expansion und
Entkopplung
π
p
n
n
Λ
K
π
π
p
farbneutrale Hadronen
Little Bang
Quark-Gluon Plasma
Feuerball
Erzeugung erwartet bei
ε= 3 GeV/fm3
Lebensdauer ca 10-22s
Kompression und Heizen
normale Kernmaterie
vor dem Stoß
ρ0 = 0.17 /fm3
ε0 = 0.16 GeV/fm3
Mirkoskope der Teilchenphysiker
Large Hadron Collider (LHC)
LHC
8,6 km
Synchrotron
+ +e
-
ΔU
ΔW = q ΔU
Für q = e und ΔU = 1 V :
ΔW = 1 eV
Technische Limitierung
für Protonen- und IonenSynchrotrons:
Ablenkstärke der Magnete
LHC: Collider, d.h. zwei gegenläufige Strahlen
in pp: 7 TeV + 7 TeV = 14 TeV
1 TeV = 1012 eV
Æ sehr starke Magnete
Æ großer Radius
Large Hadron Collider (LHC)
1232 Dipolmagnete
je 15 m lang
Magnetfeld 9 T
je ca 1MCHF
werden derzeit aufgebaut
Large Hadron Collider (LHC)
Large Hadron Collider (LHC)
Large Hadron Collider (LHC)
Large Hadron Collider (LHC)
Large Hadron Collider (LHC)
LHC
8,6 km
ab 2007 ATLAS, CMS: p-p Kollisionen bei 14 TeV
ab 2008 ALICE: Pb-Pb Kollisionen bei 5.5 TeV ( x 208 = 0.18 mJ)
ALICE Experiment
Transition Radiation Detector (TRD)
1000 Physiker
aus
94 Instituten
in
29 Ländern
im Aufbau
Time Projection Chamber (TPC)
Pb-Pb Kollision im LHC
Bis zu 50000 geladene Teilchen pro Ereignis!
ALICE Magnet
Gewicht: 7800 t
Magnetfeld: 0.5 T
Ablenkung geladener Teilchen im
Magnetfeld aufgrund der Lorentzkraft
v2
F = qvB = m
⇒ mv = qBr
r
Æ Impulsbestimmung
TPC
TRD
ALICE Time Projection Chamber
• Spurvermessung,
Impulsbestimmung
• Detektorvolumen: 88 m3
• Datenvolumen: 570.000 pads x 500 Zeit samples x 10 Bit ADC
Æ ~1 GB / s
ALICE Time Projection Chamber
ALICE Time Projection Chamber
ALICE Time Projection Chamber
Quarkonia
Quarkonia: Mesonen aus einem schweren Quark-Antiquark-Paar
z.B.
J/Ψ, Ψ‘,… (charm-anticharm) mJ/Ψ ≈ 3 mproton
Υ, Υ‘ ,… (beauty-antibeauty) mΥ ≈ 10 mproton
Υ
J/Ψ
c
_
c
ca. 1 J/Ψ pro Pb-Pb Kollision
b
_
b
ca. 1 Υ pro 100 Pb-Pb Kollisionen
Quarkonium-Unterdrückung
E = m c2
c
QGP
_
c
c
c
J/Ψ
c
_
c
kein J/Ψ
Æ unterdrückte Quarkonia Produktion im QGP
_
c
_
c
Quarkonium-Unterdrückung
T =0:
Vstark (r ) = −
4 αsh c
+ kr
3 r
QGP
Υ
J/Ψ Υ‘
Ψ‘
r(fm)
c
_
c
Quarkonia-Unterdrückung Æ QGP-Thermometer
Quarkonia-Nachweis
e+
Zerfallskanäle des J/Ψ:
hauptsächlich:
J/Ψ Æ viele Hadronen
etwa 6%:
J/Ψ Æ e+e-
J/Ψ
e-
Identifikation von Elektronen und Positronen
Wie können Elektronen und Positronen identifiziert werden?
- Impulsmessung im Magnetfeld
- Elektronen sind bei gleichem Impuls viel schneller als andere Teilchen,
weil sie viel leichter sind Æ suche geschwindigkeitsabhängigen Effekt:
Übergangsstrahlung an Grenzflächen
Röntgenquant im keV-Bereich
e
π
ε1
ε2
ALICE Transition Radiation Detector
TRD
Radiator
ALICE Transition Radiation Detector
Elektronen- und Positronen-Identifikation
Æ J/Ψ, Υ, semi-leptonischer Zerfall von D, B
Parameter:
540 Module -> ~760m2
28 m3 Xe/CO2 (85:15)
1.2 Million Auslesekanäle
Institute:
Athen, Bukarest, Darmstadt, JINR,
Frankfurt, GSI, PI Heidelberg, KIP
Heidelberg, Köln, Karlsruhe,
Kaiserslautern, Münster, Worms
Physik in Frankfurt
2005:
Bezug des Neubaus Physik am naturwissenschaftlichen Campus Riedberg
Baukosten 60 M€
+ Geräte 10 M€
Æ großzügige Labor-, Computer- und Werkstattausstattung
TRD – Labor in Frankfurt
100 TRD-Module bis 2008
Entries/(Events*GeV/c2)
Quarkonia
500
30000
-2
100
Zoom on Ψ‘
J/ Ψ family
400
25000
10
Υ family
80
300
20000
60
200
15000
40
100
0
3.5 3.55 3.6 3.65 3.7 3.75 3.8
10000
5000
10-3
0
2.8
20
0
2.9
3
3.1
3.2
3.3
10-4
3.4
3.5
3.6
3.7
-20
9
3.8
9.2
9.4
9.6
9.8
10
10.2
10.4
10.6
10.8
11
Simulation W. Sommer, C. Blume IKF
all contributions
J/Ψ
‘
Ψ
Υ
‘
Υ
‘‘
Υ
BG from open charm
BG from open beauty
BG from misidentified π‘s
uncorr. BG
10-5
10-6
0
2
„1 Jahr“ ALICE Pb-Pb
4
6
8
10
12
Invariant Mass [GeV]
Little Bang in ALICE