Urknall - Server der Fachgruppe Physik der RWTH Aachen
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1.2 Der weltgrößte Teilchenbeschleuniger LHC Eine „Zeitmaschine“ für die Reise zurück zum Urknall LHC = Large Hadron Collider Thomas Hebbeker RWTH Aachen (2007) 20.11.2004 • CERN LH Genf C CERN • Elementarteilchen • Urknall • Beschleuniger LHC 27 k m • „Zeitmaschine“ ? Frankreich CERN 1954-2004 Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire European Center for Particle Physics 1953 2000 F CH CERN 1954-2004 • Weltgrößtes Labor für Elementarteilchenphysik 7000 Wissenschaftler 800 Millionen Euro / Jahr CERN 1954-2004 Experimentiergeräte Teilchendetektor 1970 LHC -Magnet 2001 CERN 1954-2004 Prominenz Inbetriebnahme ISR-Beschleuniger 1971 Nobelpreisträger C. Rubbia (1984), S. Ting (1976), G. Charpak (1992) (Teilchendetektor) Carlo Rubbia und Simon van der Meer Nobelpreis 1984 (Entdeckung W und Z ) Langjährige Zusammenarbeit CERN - RWTH CERN 1954-2004 Entdeckungen Indirekte Hinweise 1973 ZBo (sc son hw ac he Kr af t) p p →Z →e e Entdeckung 1983 Präzisionsmessungen 1995 mZ = (91.188 ± 0.002) GeV CERN 1954-2004 Entdeckungen Indirekte Hinweise 1973 Aachen! ZBo (sc son hw ac he Kr af t) p p →Z →e e Entdeckung 1983 Aachen! Präzisionsmessungen 1995 mZ = (91.1871 ± 0.0021) GeV Aachen! CERN 1954-2004 Spin-Off Tim Berners-Lee u.a. WWW, 1991 Kältetechnik: LHC: (supra-)flüssiges Helium 40 000 Tonnen 20 K = − 2710 C weltgrößte Anlage dieser Art, 2007 • CERN • Elementarteilchen Teilchen und Kräfte Beschleuniger und Detektoren • Urknall • Beschleuniger LHC • „Zeitmaschine“ ? Die Struktur der Materie elektromagnetische Kraft (= elm. Wechselwirkung) Elementarteilchenphysik Kernkraft = starke Wechselwirkung Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems Neutrino Elektron Atom aus Elektronen und Kern Leptonen up-Quark down-Quark Kern aus Nukleonen Kernbausteine = Nukleonen: p = Proton =u+u+d n = Neutron = u + d + d Nukleon aus Quarks Grundbausteine sind punktförmig : “Elementarteilchen“ Energie und Masse Energie-Einheit eV = Elektronenvolt 1GeV = 109 eV ≈ 10 −10 J Energie und Masse E = m cc = 300000 km / s 2 Energie kann in Masse umgewandelt werden und umgekehrt ! Protonmasse = ˆ 1GeV Die 4 Kräfte/Wechselwirkungen Gravitation: vernachlässigbar im Mikrokosmos Elektromagnetische WW: Atom Schwache WW: Radioaktiver Zerfall Beta-Zerfall n → p e −ν Starke WW: Nukleonen im Kern Quarks im Nukleon Beschreibung der Wechselwirkungen Feynman-Diagramme: Visualisierung und Berechnung von Wahrscheinlichkeiten Beispiele: Elastische Elektron-Quark-Streuung (elektromagnetische WW): Kräfte = Wechselwirkungen: Beta-Zerfall: (schwache Wechselwirkung): vermittelt durch Austauschteilchen: γ W,Z g Teilchenphysik - Theorie viele Teilchen Materie: instabil! Leptonen: Quarks: Wechselwirkungen: Austauschteilchen: elektromagnetisch: Photon γ masselos Z 91 GeV schwach: Z-Boson W-Boson W+ W- 80 GeV stark: Gluon masselos g Experimentellen Daten werden akkurat beschrieben! Materie und Antimaterie e − Elektron e + Positron Methoden der experimentellen Teilchenphysik Quantenphysik ! Zufall ! Werkzeuge: • Teilchenbeschleuniger • Teilchendetektoren Unschärferelation: Ortsauflösung ~ 1/E 100 GeV Ù 1/1000 Protonradius Neue schwere Teilchen (Masse m) HOHE ENERGIE ! Hochenergie-Teilchenbeschleuniger HERA ± e +p 300 GeV DESY Fermilab CERN 1987- 2007 Tevatron p+ p 2000 GeV 1989 - 2000 LEP + e +e − 200 GeV 2007 - 2020 LHC p+ p 14000 GeV 1992 - 2006 Fundamentale Fragen • • • • • • • • • • • • • ... Gibt es genau 3 „Familien“ ? ... ... Wie entsteht die Masse der Teilchen ? ... ... Dunkle Materie ? ... ... Gibt es Antimaterie im Universum ? ... ... Die Massen der Elementarteilchen Beispiele: EXPERIMENT me = 510.9989 keV mW 80.451 ± 0.033 GeV = mZ 91.188 ± 0.002 GeV = 0.8823 ± 0.0004 Die Massen der Elementarteilchen Beispiele: EXPERIMENT THEORIE me = 510.9989 keV me = 0 mW 80.451 ± 0.033 GeV = mZ 91.188 ± 0.002 GeV mW 0 = mZ 0 = 0.8823 ± 0.0004 Die Massen der Elementarteilchen P.Higgs Beispiele: ERWEITERTE THEORIE EXPERIMENT me = 510.9989 keV me = ... > 0 mW 80.451 ± 0.033 GeV = mZ 91.188 ± 0.002 GeV mW ... > 0 = mZ ... > 0 = 0.8823 ± 0.0004 Bisher nicht gefunden: mHiggs >114 GeV = 0.8812 ± 0.0014 Neues Teilchen: „Higgs“ LHC ! • CERN • Elementarteilchen • Urknall Astrophysik Big-Bang Dunkle Materie • Beschleuniger LHC • „Zeitmaschine“ ? Astrophysik: Sterne und Milchstraße Nachbarstern „Proxima Centauri“ 4 Lichtjahre 1 Lichtjahr Strecke, die Licht in 1 Jahr zurücklegt 25000 Lj Aachen „Unsere“ Galaxie = Milchstrasse Das Sonnensystem in der Milchstrasse Astrophysik: Galaxien Palomar Observatorium E. Hubble (1949) Nachbargalaxie „Andromeda“ 3 Millionen Lichtjahre „Whirlpool“ 37 Millionen Lj Astrophysik: Ferne Galaxien Hubble-Teleskop bis zu einigen Milliarden Lichtjahren Blick in die Vergangenheit! 1 Explosions-Modell 2 3 1 Explosions-Modell 2 3 x r v=k •r v Geschwindigkeiten von Galaxien Hubble-Gesetz: v v = H• r 1/H = 15 Milliarden Jahre r Universum expandiert ! Urknall! Galaxie D t kal E R seh ei h r ß 1 ß hei . n i M 3 k. e S U R K N A L L Qu ark s Pro ton en Ker ne Ato me Dunkle Materie ? Untersuchung von Spiralgalaxien: Es gibt mehr als leuchtende Materie indirekt nachweisbar durch Gravitation Dunkle Materie = Neutralinos χ ? LHC ! • CERN • Elementarteilchen • Urknall • Beschleuniger LHC Teilchenbeschleuniger Teilchendetektoren • „Zeitmaschine“ ? Teilchenbeschleuniger: Elektronen, 20 keV elektrisches Feld beschleunigt oder lenkt ab magnetisches Feld lenkt (stark) ab LHC = Large Hadron Collider p 27 km Large 27 km, 14000 GeV Hadron Proton p p p Collider 1200 Dipolmagnete, supraleitend je 14 m lang, B = 8Tesla p p Größe wächst mit Energie! Supraleitende Dipolmagnete 8 Tesla 14 Meter 30 Tonnen x 1232 LHC + Teilchendetektoren start: 2007 LHC = Large Hadron Collider Atlas p p ATLAS LHC Teilchendetektoren 40 m CMS 12000 t FILM CMS-Detektor: Funktionsprinzip Größe wächst mit Teilchenenergie! CMS-Detektor: Aufbau 2004 CMS-Detektor: Aachener Beteiligung 1m großflächige Myondetektoren hochauflösende Silizium-Detektoren Die Suche nach dem Higgs Herausforderung: Ein Higgs in 1013 EXPERIMENTUM CRUCIS Kollisionsereignissen! LHC-Daten und Computer-Auswertung 40 Millionen Kollisionen/s 100 Milliarden Teilchen/s Roh: 500 GBit/s Zu speichern: 100 Ereignisse / s = 1 DVD / Minute Verarbeitung: 10000 PCs 2000 Physiker/ Experiment CERN Rechenzentrum • CERN • Elementarteilchen • Urknall • Beschleuniger LHC • „Zeitmaschine“ ? Frühes Universum und Teilchenphysik Dunkle Materie Prozesse im frühen Universum heute 15 Milliarden J . 300 000 J . Atome 3 min Kerne 1 sec 10Milliarden Teilchenphysik Bildung von Atomen t = 300 000 Jahre T = 3000 oC E = 0.3 eV 3 min H-Kern + e H-Atom He-Kern + 2 e Licht = kosmische Hintergrundstrahlung! Kerne He-Atom Entstehung von Helium-Kernen t = 3 min 2n+2p T = 1 000 000 000 oC He-Kern E = 0.1 MeV p = H-Kern Schwere Kerne (C, O, U...) entstanden erst in Supernovae ! Elementarteilchen im frühen Universum t = 10-10 s E = 100 GeV Teilchenbeschleuniger! Heiße Elementarteilchen-Suppe ! Welche Teilchen gibt es ? Wie wechselwirken sie ? Elementarteilchen im frühen Universum t = 10-10 s Teilchenbeschleuniger! E = 100 GeV χ χ χ Heiße Elementarteilchen-Suppe ! Welche Teilchen gibt es ? Wie wechselwirken sie ? Dunkle Materie = Neutralinos χ ??? LHC ! Zusammenfassung wir wollen verstehen, LHC • „was die Welt im Innersten zusammenhält“ • und die Entwicklung des Universums http://www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/index.html#presentations
