Teilchenphysik und Forschung am CERN - Institut für Kern
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Forschung am CERN: Am Puls der Teilchenphysik Lions-Club Berlin-Potsdamer Platz 6. Juni 2013 Ulrike Schnoor Institut für Kern- und Teilchenphysik, TU Dresden Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs E = mc 2 2/40 Ulrike Schnoor Teilchenphysik Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Fundamentale Fragen: Woraus besteht das Universum? • Untersuchung der bekannten Bausteine und ihrer Wechselwirkungen • Suche nach neuen Teilchen oder Kräften Wie ist das Universum entstanden? • Untersuchung der Entwicklung des Universums ↓ Teilchenphysik, Kosmologie, Kern- und Neutrinophysik, Astrophysik 3/40 Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 4/40 Geschichte des Universums Ulrike Schnoor Geschichte des Universums Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Urknall Beginn des Universums vor ca. 13.8 Milliarden Jahren: Entstehung von Materie, Raum und Zeit aus einer Singularität Erklärung für • die vorhandene kosmische Hintergrundstrahlung • die festgestellte Expansion des Universums • die beobachtete Elementhäufigkeit 4/40 Ulrike Schnoor Geschichte des Universums Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Untersuchung • Kosmologen vermessen die Hintergrundstrahlung und Strukturen des Universums • Die Kernphysik liefert Erkenntnisse über die Entstehung der Elemente • Mit modernen Teilchenbeschleunigern erreicht man Energien, wie sie kurz nach dem Urknall geherrscht haben 4/40 Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 4/40 Geschichte des Universums Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 5/40 Aufbau der Materie Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Bausteine des Universums: Teilchen und Kräfte Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Das Standardmodell der Teilchenphysik • beschreibt alle bekannten Teilchen und ihre Wechselwirkungen bis auf die Gravitation • hergeleitet aus fundamentalen Symmetrien = lokale Eichsymmetrien • zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung; Austauschteilchen übermitteln die Wechselwirkungen 6/40 Lagrangedichte des Standardmodells Ulrike Schnoor Wechselwirkungen = Kräfte Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs • Standardmodell beschreibt 3 (der 4) fundamentalen Wechselwirkungen • Eichbosonen übertragen die Wechselwirkungen • sie koppeln nur ein Teilchen, die die zur Wechselwirkung gehörende Ladung tragen 7/40 Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Wechselwirkungen Elektromagnetismus Ladung schwacher Isospin Austauschteilchen W-, Z-Boson Ladung elektrische Ladung Austauschteilchen Photon elektrischer Strom, Licht, Radiowellen, ... β−Zerfall, Kernumwandlungen, ... starke Kraft Gravitation Ladung Farbladung Austauschteilchen Gluonen Ladung ??? Austauschteilchen Graviton??? Kernspaltung, Kernfusion, ... 8/40 schwache Kraft Erdanziehung, ... Ulrike Schnoor Das Standardmodell Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 9/40 Elementarteilchen des Standardmodells Ulrike Schnoor Das Standardmodell Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 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 10/40 Ulrike Schnoor 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 Hochenergie-Experimenten erzeugt werden; Entdeckung 1975 am SLAC; sehr kurze Lebensdauer Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 11/40 Ulrike Schnoor Neutrinos Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Neutrinos • sehr leichte Teilchen (aber m 6=0) • schwer messbar • Theorievorhersage 1930 • Entdeckung 1956 (νe ) • Neutrinofluss auf der Erde: 6.5·1010 pro Sekunde pro Quadratzentimeter größtenteils von der Sonne • Interessante Eigenschaften: Neutrino-Oszillationen, neutrinoloser doppelter β-Zerfall(?), erlauben Observation von Supernovae, uvm. 12/40 Ulrike Schnoor Quarks und Gluonen Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Quarks • Besitzen Farbladung und elektrische Ladung • Können nur im farbneutralen Verbund vorkommen Gluonen • besitzen Farbladung • Übertragen die starke Wechselwirkung • wechselwirken untereinander 13/40 Ulrike Schnoor 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 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 • W schwerer → Sonne zu kalt 14/40 Ulrike Schnoor Der Higgs-Mechanismus Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 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 15/40 Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 16/40 Higgs-Mechanismus Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 17/40 FRAGEN? Ulrike Schnoor Beyond the Standard Model Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 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? 18/40 Ulrike Schnoor Wo ist die Antimaterie? Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Anti-Materie = Spiegelbild der Materie Materie + Antimaterie → Energie (= Annihilation) 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 19/40 Ulrike Schnoor Dunkle Materie Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Gemessene Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien erfordert mehr Masse als sichtbar → “Dunkle Materie” • Experimentell noch kein geeigneter Kandidat gefunden • Theorie: z.B. Supersymmetrie 20/40 Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 21/40 FRAGEN? Ulrike Schnoor Beschleuniger Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Brownsche Röhre: kleiner Elektronenbeschleuniger Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs • mit elektrischen Feldern werden geladene Teilchen beschleunigt • mit magnetischen Feldern werden sie abgelenkt und fokussiert 22/40 Ulrike Schnoor Teilchenkollision Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Klassisch Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Kollision von makroskopischen Teilchen • Energie- und Impulserhaltung • elastische Streuung: Eingangsteilchen = Ausgangsteilchen • Beispiel: Billard 23/40 Ulrike Schnoor Teilchenkollision Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Quantenmechanik & E = m c2 Kollision von relativistischen, mikroskopischen Teilchen: • relativistische Impulserhaltung • Erzeugung neuer Teilchen möglich 23/40 Ulrike Schnoor Detektoren Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Aufzeichnen der Kollisionen am Interaktionspunkt des Beschleunigers Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Kombination aus • Spurdetektor • Kalorimeter • Muon-Kammer zur Bestimmung von • Teilchenart • Impuls/Energie • Ladung • Richtung 24/40 Ulrike Schnoor Datennahme Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 25/40 40 MHz Ereignisrate (= Kollisionen) ↓ 75kHz ↓ 1-3kHz ↓ 200 Ereignisse pro Sekunde aufgezeichnet Ulrike Schnoor Grid-Computing Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 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) 26/40 Ulrike Schnoor Monte-Carlo-Simulationen Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Vergleich der gemessenen Daten mit Theorievorhersage W + -Produktion: σ(W + ) = R dx1 dx2 fu/d (x1 )fd̄/p (x2 ) 4π3 2 ΓuWd̄ ΓfW 1 δ(x1 x2 mW ΓW s 2 − mW /s) Integration der Matrixelemente im Phasenraum nicht analytisch möglich Monte-Carlo-Simulation Numerisches Verfahren der Integration: zufällig verteiltes Abrastern des Phasenraums Nutzung für • Matrixelementintegration • Detektorsimulation 27/40 Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Datenanalyse Warum werden so viele Kollisionen benötigt? Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs • Statistische Auswertung aller gesammelten Daten • Kombination der Messergebnisse • Verifikation durch Vergleich mit anderen Experimenten 28/40 Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 29/40 FRAGEN? Ulrike Schnoor CERN Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN CERN = Centre Européen de la Recherche Nucléaire Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs • gegründet 1954 • Standort Genf • heute 20 Mitgliedsstaaten • 3.200 Mitarbeiter + über 10.000 Gastwissenschaftler aus 85 Ländern 30/40 Ulrike Schnoor Large Hadron Collider Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker • 27 km langer Tunnel Forschung am CERN • 100 m unter der Erde Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs • verläuft in der Schweiz und Frankreich zwischen Jura und Genfer See • beherbergt 4 große Experimente: A LICE , ATLAS , CMS, LHCb • Proton-Proton- Beschleuniger • Schwerpunktsenergie: 7 TeV → 8 TeV → 13/14 TeV 31/40 Ulrike Schnoor Large Hadron Collider Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker • 27 km langer Tunnel Forschung am CERN • 100 m unter der Erde Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs • verläuft in der Schweiz und Frankreich zwischen Jura und Genfer See • beherbergt 4 große Experimente: A LICE , ATLAS , CMS, LHCb • Proton-Proton- Beschleuniger • Schwerpunktsenergie: 7 TeV → 8 TeV → 13/14 TeV 31/40 Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 32/40 ATLAS-Detektor Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 32/40 ATLAS-Detektor Ulrike Schnoor ATLAS-Kollaboration Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 33/40 ca. 3.000 Physiker an 175 Instituten in 38 Ländern Ulrike Schnoor ATLAS-Kollaboration Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 33/40 ca. 3.000 Physiker an 175 Instituten in 38 Ländern Ulrike Schnoor Weitere Experimente am CERN Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 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. 34/40 Ulrike Schnoor CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS) Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs • 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) OPERA: Geschwindigkeitsmessung 2011: vν > c ?? sorgfältige Überprüfung aller Messfehler ⇒ fehlerhafte Anbringung eines Kabels an der “inneren Uhr” von OPERA 35/40 Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs 36/40 FRAGEN? Ulrike Schnoor Spinoffs der Teilchenphysik Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik = Grundlagenforschung Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs → Anwendungen zunächst nicht bekannt Spin-offs Anwendungen, die von Teilchenphysikern für die Teilchenphysikforschung entwickelt wurden und außerhalb der Forschung verwendet werden z.B. in Computing und Medizintechnik 37/40 Ulrike Schnoor World Wide Web Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Tim Berners-Lee, Erfinder des WWW Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs World Wide Web 1989 Antrag für “Distributed information system” am CERN von Tim Berners-Lee eingereicht 1990 die erste Website und der erste Webserver gehen am CERN online 1991 erster Webserver außerhalb Europas 1993 CERN veröffentlicht den Quelltext des WWW 38/40 Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Teilchenphysik in der Medizin 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, der Tumor lokalisiert und vermessen 39/40 Ulrike Schnoor Einführung in die Teilchenphysik Arbeit der Teilchenphysiker Teilchenphysik in der Medizin Therapeutik Hadronentherapie Patient wird mit Hadronen bestrahlt, die ihre Energie stärker lokalisiert abgeben als Photonen → Zerstörung des Tumors Forschung am CERN Teilchenphysik im Alltag: Spin-offs Neue Idee: Bestrahlung mit Antimaterie 40/40
