Masterclass Teilchenphysik - Institut für Kern
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Masterclass Teilchenphysik Deutsche Physikerinnentagung: Schülerinnenprogramm 16.10. 2014 Ulrike Schnoor Institut für Kern- und Teilchenphysik, TU Dresden Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 2/49 E = mc 2 Teilchenphysik Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Fundamentale Fragen: Woraus besteht das Universum? Forschung am CERN • Bausteine & Wechselwirkungen Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Wie ist das Universum entstanden? Teilchenidentifikation am ATLASDetektor ↓ Teilchenphysik, Kosmologie, Kern- und Neutrinophysik, Astrophysik 3/49 Geschichte des Universums Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 4/49 Geschichte des Universums Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 4/49 Urknall vor ca. 13.8 Milliarden Jahren: Entstehung von Materie, Raum und Zeit Geschichte des Universums Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 4/49 Aufbau der Materie Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 5/49 Einführung in die Teilchenphysik Bausteine des Universums: Teilchen und Kräfte Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Das Standardmodell der Teilchenphysik • beschreibt bekannte Teilchen & ihre Wechselwirkungen Lagrangedichte des Standardmodells 6/49 Wechselwirkungen = Kräfte Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor • Standardmodell beschreibt 3 (der 4) fundamentalen Wechselwirkungen • Eichbosonen übertragen die Wechselwirkungen • sie koppeln nur ein Teilchen, die die zur Wechselwirkung gehörende Ladung tragen 7/49 Kraft, Ladung, Austauschteilchen Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Elektromagnetismus elektrische Ladung; Photon elektrischer Strom, Licht, Radiowellen, ... starke Kraft Farbladung; Gluonen 8/49 Kernspaltung, Kernfusion, ... schwache Kraft schwacher Isospin; W-, Z-Boson β−Zerfall, Kernumwandlungen, ... Gravitation ??? Erdanziehung, ... Das Standardmodell Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 9/49 Elementarteilchen des Standardmodells Das Standardmodell Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Teilchen des Standardmodells, geordnet nach Ladung Wechselwirkung, an der sie teilnehmen Spin Materieteilchen: halbzahliger Spin Austauschteilchen: ganzzahliger Spin Familie uns umgebende Materie besteht nur aus Teilchen der 1. Familie 10/49 Quarks und Gluonen Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Quarks • Besitzen Farbladung und elektrische Ladung • Können nur im farbneutralen Verbund vorkommen Gluonen • besitzen Farbladung • Übertragen die starke Wechselwirkung • wechselwirken untereinander 11/49 Der Higgs-Mechanismus Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 12/49 Standard-Modell: Elementarteilchen masselos. Widerspruch: Leptonen, W,Z-Bosonen, Quarks besitzen eine Masse Lösung: Higgs-Mechanismus = Einführung eines Hintergrundfeldes, mit dem Teilchen aufgrund ihrer Masse wechselwirken. Higgs-Teilchen: Anregung dieses Feldes Higgs-Mechanismus Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 13/49 Beyond the Standard Model Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Ungeklärte Fragen der Teilchenphysik • Warum sind die Massen der Elementarteilchen so unterschiedlich? • Was wurde aus der Antimaterie? • Wieso gibt es ausgerechnet 3 Teilchenfamilien? • Woraus besteht die dunkle Materie, dunkle Energie? • Welche Eigenschaften hat das Higgs-Boson? 14/49 Wo ist die Antimaterie? Einführung in die Teilchenphysik Materie + Antimaterie → Energie (= Annihilation) Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Energie → Materie + Antimaterie Anti-Materie = Spiegelbild der Materie Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie • Beim Urknall: Materie : Antimaterie = 1: 1 • Im Universum: keine großen Mengen an Antimaterie zu sehen! ⇒ kleine Asymmetrie muss existieren (Ursache noch nicht bekannt) ⇒ Materie : Antimaterie = 1 000 000 001: 1 000 000 000 15/49 Dunkle Materie Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Gemessene Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien erfordert mehr Masse als sichtbar → “Dunkle Materie” • Experimentell noch kein geeigneter Kandidat gefunden • Theorie: z.B. Supersymmetrie 16/49 Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 17/49 Arbeit der Teilchenphysiker Teilchenkollision Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Klassisch Kollision von makroskopischen Teilchen • Energieerhaltung • elastische Streuung: Eingangsteilchen = Ausgangsteilchen 18/49 Teilchenkollision Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Quantenmechanik & E = m c2 Kollision von relativistischen, mikroskopischen Teilchen: • Erzeugung neuer Teilchen möglich • Struktur- untersuchung möglich 18/49 Beschleuniger Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Brownsche Röhre: kleiner Elektronenbeschleuniger Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor • mit elektrischen Feldern werden geladene Teilchen beschleunigt • mit magnetischen Feldern werden sie abgelenkt und fokussiert 19/49 Detektoren Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Aufzeichnen der Kollisionen am Interaktionspunkt des Beschleunigers Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Kombination aus • Spurdetektor • Kalorimeter • Muon-Kammer zur Bestimmung von • Teilchenart • Impuls/Energie • Ladung • Richtung 20/49 Datennahme Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 21/49 40 MHz Ereignisrate (= Kollisionen) ↓ 75kHz ↓ 1-3kHz ↓ 200 Ereignisse pro Sekunde aufgezeichnet Datenanalyse Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 22/49 Datenanalyse Einführung in die Teilchenphysik Warum werden so viele Kollisionen benötigt? Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor • Statistische Auswertung aller gesammelten Daten • Kombination der Messergebnisse • Verifikation durch Vergleich mit anderen Experimenten 23/49 Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 24/49 Forschung am CERN CERN Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker CERN = Centre Européen de la Recherche Nucléaire Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor • gegründet 1954 • Standort Genf • heute 20 Mitgliedsstaaten • 3.200 Mitarbeiter + über 10.000 Gastwissenschaftler aus 85 Ländern 25/49 Large Hadron Collider Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor • 27 km langer Tunnel • 100 m unter der Erde • verläuft in der Schweiz und Frankreich zwischen Jura und Genfer See • beherbergt 4 große Experimente: A LICE , ATLAS , CMS, LHCb • Proton-Proton- Beschleuniger 26/49 LHC Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor https://natronics.github.io/ science-hack-day-2014/lhc-map/ 27/49 Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 28/49 Teilchenphysik im Alltag Spinoffs der Teilchenphysik Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik = Grundlagenforschung → Anwendungen zunächst nicht bekannt Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 29/49 Spin-offs Anwendungen, die von Teilchenphysikern für die Teilchenphysikforschung entwickelt wurden und außerhalb der Forschung verwendet werden z.B. in Computing und Medizintechnik World Wide Web Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Tim Berners-Lee, Erfinder des WWW Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor World Wide Web 1989 Erfindung eines “Distributed information system” am CERN 1990 erste Website geht am CERN online 30/49 Teilchenphysik in der Medizin Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 31/49 Diagnostik Positronen-Emissions-Tomographie (PET) • ein β + -Strahler wird an eine biochemisch aktive Flüssigkeit gebunden (Radiopharmakon) • diese wird in den Körper eingebracht und sammelt sich in aktiven Regionen (z.B an Tumorherden) • die ausgesandten Positronen annihilieren • enstehende Gamma-Strahlung wird detektiert und tomographisch analysiert Teilchenphysik in der Medizin Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Therapeutik Hadronentherapie Patient wird mit Hadronen bestrahlt, die ihre Energie stärker lokalisiert abgeben als Photonen → Zerstörung des Tumors Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Neue Idee: Bestrahlung mit Antimaterie 32/49 Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 33/49 Teilchen-Identifikation am ATLAS-Detektor ATLAS-Detektor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 34/49 ATLAS-Detektor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 34/49 ATLAS-Kollaboration Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 35/49 ca. 3.000 Physiker an 175 Instituten in 38 Ländern ATLAS-Kollaboration Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 35/49 ca. 3.000 Physiker an 175 Instituten in 38 Ländern Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 36/49 Teilchenidentifikation im Detektor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 36/49 Teilchenidentifikation im Detektor Messung Einführung in die Teilchenphysik Messung von Arbeit der Teilchenphysiker • Impuls: Forschung am CERN • Energie: Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Transversalimpuls pT Transversalenergie ET • Ladung Neutrinos hinterlassen keine Spur im Detektor; durch Erhaltung des Transversalimpulses kann “fehlende Energie” bestimmt werden, die auf Neutrino hindeutet Quarks → Jets Quarks “hadronisieren”: Detektor misst keine einzelnen Quarks, sondern Schauer von Hadronen (=Jets) 37/49 Heutige Messung Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 38/49 Rund um’s W-Boson • Untersuchung der Protonstruktur • Ereignisse mit Higgszerfällen W-Produktion und -zerfall am LHC Heutige Messung II Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 39/49 Higgs → WW-Ereignisse Heutige Messung II Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 39/49 Higgs → WW-Ereignisse Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 40/49 Teilchenidentifikation im Detektor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 41/49 BACKUP Geladene Leptonen Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Elektronen vorhanden in der uns umgebenden Materie, in der Atomhülle; Träger des elektrischen Stroms Myonen (µ-Leptonen) kommen in der kosmischen Höhenstrahlung vor und gelangen auf die Erdoberfläche aufgrund von Spezieller Relativitätstheorie (Längenkontraktion) Taus (τ -Leptonen) kann in HochenergieExperimenten erzeugt werden; Entdeckung 1975 am SLAC; sehr kurze Lebensdauer Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 42/49 Neutrinos Einführung in die Teilchenphysik Neutrinos Arbeit der Teilchenphysiker • sehr leichte Teilchen (aber m 6=0) Forschung am CERN • schwer messbar Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor • Theorievorhersage 1930, Entdeckung 1956 (νe ) • Neutrinofluss auf der Erde: 6.5·1010 pro Sekunde pro Quadratzentimeter • Interessante Eigenschaften: 43/49 Neutrino-Oszillationen, neutrinoloser doppelter β-Zerfall(?), erlauben Observation von Supernovae, uvm. Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN W-Boson-Masse und Kernfusion in der Sonne Die Sonne ist ein großer Fusionsreaktor. Im Überfluss vorhanden: Wasserstoffkerne (=Protonen) Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Reaktion 4p → 1He erfordert Umwandlung von 2 Neutronen in 2 Protonen. Die Wahrscheinlichkeit dieser Umwandlung hängt von der W-Masse ab, genauer: Umwandlungsrate ∼ E 4 mW • W leichter → Sonne schon verglüht 44/49 • W schwerer → Sonne zu kalt Weitere Experimente am CERN Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor CERN > LHC • Antimaterie-Untersuchung am Antiproton-Decelerator • seltene Isotope an ISOLDE • Steuerung des AMS-Detektors auf der ISS • Suche nach Axionen mit CAST • große Beschleunigerphysik-Abteilung mit Projekten in ganz Europa • CERN Neutrinos to Gran Sasso • u.v.m. 45/49 Einführung in die Teilchenphysik CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS) Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor • Erzeugung eines Neutrino-Strahls am CERN, der ca. 700 km durch die Erde zum Gran Sasso-Massiv (Italien) geschickt wird • im Gran Sasso werden die Neutrinos von verschiedenen Detektoren registriert und analysiert (z.B. Neutrino-Oszillationen, Vermessung der Geschwindigkeit) 46/49 Lorentz-Kraft Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor 47/49 Lorentzkraft: lenkt bewegte elektrische Ladungen im Magnetfeld senkrecht zur Flugbahn ab: ~ = q(~v × B) ~ F Monte-Carlo-Simulationen Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Vergleich der gemessenen Daten mit Theorievorhersage W + -Produktion: Forschung am CERN R Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor dx1 dx2 fu/d (x1 )fd̄/p (x2 ) 4π3 2 ΓuWd̄ ΓfW 1 mW ΓW s δ(x1 x2 2 /s) − mW Integration der Matrixelemente im Phasenraum nicht analytisch möglich Monte-Carlo-Simulation Numerisches Verfahren der Integration: zufällig verteiltes Abrastern des Phasenraums Nutzung für • Matrixelementintegration 48/49 σ(W + ) = • Grid-Computing Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenidentifikation am ATLASDetektor Verteilung der Daten Tier-0 Rohdaten, direkt am CERN Tier-1 Rekonstruierte Daten, jeder Datensatz zweimal auf unterschiedlichen Supercomputern gespeichert Tier-2 Analyse der Daten auf Hochleistungsrechnern DESY-Zeuthen Tier-2 (Deutsches Tier-1: KIT) 49/49
