Welcome to CERN
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Welcome at CERN! ✗Was ist CERN ? ✗Was tut CERN ? ✗Physik ✗Experimente ✗Spin Offs Michael Kobel (TU Dresden) page 1 CERN visit - Introduction Michael Kobel / TU Dresden 1 CERN CERN = Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Europäischer Rat für Kernforschung) heute: europäisches Zentrum für Teilchenphysik Gegründet 1954 von 12 Ländern mit West-Deutschland Die 20 MitgliedsStaaten des CERN Heute: 20 Mitglieds-Staaten auch nicht-EU Länder Schweiz, Norwegen unabhängig von der EU Kandidaten auch außer Europa (Cyprus, Israel, Serbia, Slovenia and Turkey ...) Michael Kobel / TU Dresden 2 CERN-Benutzer ca. 2400 CERN-Angestellte (deutscher Anteil ca. 10%) weltweit etwa 10200 “Nutzer”(ca.12% aus Deutschland) Michael Kobel / TU Dresden 3 CERN Organisation CERN Council Rat der Mitgliedsstaaten 2 Sitze und Stimmen pro Mitgliedsstaat Beobachter z.B. UNESCO, EU 4 Sessionen im Jahr Scientific Policy Committee 16 Mitglieder 5 Sitzungen im Jahr Finance Committee alle Mitgliedsstaaten vertreten Stimmenverteilung je nach Abstimmungsthema verschieden 5 Sitzungen im Jahr Michael Kobel / TU Dresden 4 Eine wesentliche Aufgabe: Bau und Betrieb von Beschleunigern 7 TeV 5 LHC Die CERN Teilchen-Beschleuniger: mehr als 50 km Tunnel unter der Erde 450 GeV 4 SPS 5 26 GeV 3 4 PS 1.4 GeV 2 BOOSTER 2 50 MeV 1 LINAC2 3 1 PROTONS Start Michael Kobel / TU Dresden 5 Luftbild ~8 km CERNPrevessin Frankreich CERN Hauptgelände SPS Beschleuniger Schweiz LHC Beschleuniger (etwa 100m unter der Erde) Michael Kobel / TU Dresden 6 Strahlenergie 25 ns Strahlenergie = Protonenenergie Anzahl der Wolken Anzahl der Protonen pro Wolke Protonenenergie: 7 TeV bei höchster Intensität: Anzahl der Wolken pro Richtung: 2808 Anzahl der Protonen je Wolke: 1.05 1011 Strahlenergie (pro Richtung): 346 MJoule LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 346 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug 120 Elefanten mit 40 km/h Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser Michael Kobel / TU Dresden 8 Bilder vom LHC page 10 CERN visit - Introduction Michael Kobel / TU Dresden 9 LHC im Rückblick Michael Kobel / TU Dresden 12 Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09 Michael Kobel / TU Dresden 13 Presseecho Michael Kobel / TU Dresden 14 Weitere Entwicklungen Beschleuniger “optimistic scenario” plasma? lasers? future Hochenergetische Kollisionen Warum ? Michael Kobel / TU Dresden 21 Fragestellungen Die Fragestellungen der Teilchenphysik Michael Kobel / TU Dresden 22 Raum – Zeit - Materie ENERGIE ist der Schlüssel Michael Kobel / TU Dresden 23 Michael Kobel / TU Dresden 24 Die Verbindung zur Kosmologie Michael Kobel / TU Dresden 25 Institut für Kern- und Teilchenphysik Das Standardmodell der Teilchenphysik, M.Kobel Bedeutung und Grenzen des Standardmodells Eine (DIE?) grundlegende Theorie der Physik Zwei bekannte Zutaten Bausteine der Welt Träger von Ladungen „Spielfeld“ der entspr. Wechselwirkungen Fundamentale Wechselwirkungen werden aus Symmetrien vorhergesagt! erfordern Botenteilchen (Austauschteilchen) Unbekannte Zutat Massenmechanismus für Teilchen („Higgs“) Errungenschaft beschreibt *alle* bekannten Prozesse Grenzen (Antworten nur jenseits des SM) Offene Fragen wie z.B. Dunkle Materie Herkunft / Vereinigung der Kräfte / Symmetrien Einbindung der Gravitation Materie-Antimaterie Ungleichgewicht Herkunft der 3 Teilchenfamilien, … Institut für Kern- und Teilchenphysik Das Standardmodell der Teilchenphysik, M.Kobel Fundamentale Kräfte Jede Kraft (Wechselwirkung) hat eigene Botenteilchen Kraft Botenteilchen Ladung der Materieteilchen Starke Kernkraft Gluonen g Starke„Farb“-Ladung „Rot“,„Blau“,„Grün“ Schwache Kraft „Weakonen“(W+,W-,Z) Schwache„Isospin“-Ladung I3 = W Elektromagnetismus Photonen g Schwerkraft Gravitonen ? 1/2 1/2 e n Elektrische Ladung Q = -1, + ⅔,-⅓,… Masse ? Institut für Kern- und Teilchenphysik Das Standardmodell der Teilchenphysik, M.Kobel Die Bausteinfamilien: Quarks und Leptonen 3 Familien unterscheiden sich nur in Masse und daraus folgenden Eigenschaften Institut für Kern- und Teilchenphysik Das Standardmodell der Teilchenphysik, M.Kobel Masse (MeV/c²) Die Ruhemassen der Bausteine - Herkunft der Masse ungeklärt (Higgs Mechanismus?) 3x105 2x1013 1000000 100000 10000 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,000001 1E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E-12 172000 1300 106 90 5 4200 1777 2 0,5 Up Typ Down Typ Lepton +/Neutrino 0,000000001? 0 0,00000005 0,000000009 1 2 Familie 3 4 Institut für Kern- und Teilchenphysik Das Standardmodell der Teilchenphysik, M.Kobel „Weltformel“: Lagrangedichte des Standardmodells auf CERN T-shirt und Mouse Pad Institut für Kern- und Teilchenphysik Das Standardmodell der Teilchenphysik, M.Kobel Fundamentale Prinzipien (erkannt 1941-1973) Aufstellung der Terme der „Weltformel“: Natur verlangt ihre Invarianz unter 3 Symmetrien („lokalen Umeichungen“) Jede Symmetrie lässt sich nur mit Hilfe von Wechselwirkungstermen erfüllen -> lok. Eichsymmetrie ist Ursache der Wechselwirkungen ! Bedeutung der Formel: Jedem Term entspricht in dieser Reihenfolge kinetische Energie freier Teilchen Wechselwirkung zwischen Teilchen Massen und Mischungen der Teilchen (durch Higgsfeld) Potenzielle Higgsenergie und Anregungen (Higgs-Teilchen) Terme, die die Eichsymmetrie nicht erfüllen. sind verboten Bewegungsgleichungen (Dirac, Klein-Gordon, Maxwell,…) folgen aus Prinzip minimaler Wirkung Theoretische Fragen 3 Familien von Elementarteilchen Alle Wechselwirkungen beruhen auf Ladungssymmetrien Stabile Materie (p, n, e) nur aus erster Familie Warum dann drei ? Beispiel: Symmetrie der starken „Farb“ladung im Neutron Gluonen sorgen für Symmetrie und binden die Quarks Warum diese Symmetrien ? Weitere Symmetrien ? z.B: Supersymmetrie„SUSY“ zwischen BausteinBaustein- und Botenteilchen? Supersymmetrie Existieren Supersymmetrische Teilchen? Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösen “Relativ“ niedrige Higgs Masse Einbindung der Gravitation Vereinigung aller Kopplungen Leichtestes SUSY Teilchen stabil = Dunkle Materie (ca 3000 /m3)? Direkte Entdeckung möglich bei: ATLAS & CMS Indirekter Nachweis über bb-Zerfälle: LHCb Die Ruhemassen der Bausteine Symmetrien erfordern masselose Teilchen Masse (MeV/c²) Erhalten Masse erst ~ 10-10 sec nach Urknall durch „spontane“ Symmetriebrechung Entsteht Masse durch Kopplung anein„Higgs anein„ Higgs“Hintergrundfeld? “Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede ? „Sandkorn .vs. Ozeandampfer“? 3x105 2x1013 1000000 100000 10000 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,000001 1E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E-12 172000 1300 106 90 5 4200 1777 2 0,5 Up Typ Down Typ Lepton +/Neutrino 0,000000001? 0 0,00000005 0,000000009 1 2 Familie 3 4 Was ist Masse? Leeres Vakuum Higgshintergundfeld Alle Teilchen sind masselos bewegen sich mit Lichtgechwindigkeit Lichtgechwindigkeit.. Teilchen werden durch WW mit dem Higgs--Hintergrund Higgs Hintergrund--Feld verlangsamt. Teilchen erhalten effektiv eine Masse. Wert hängt von der Stärke der WW mit dem Hintergrundfeld ab. Higgs--Teilchen Higgs quantenmechanische Anregung des Higgsfeldes notwendige Konsequenz des Konzepts ! Mechanische Analogie zur Higgs Produktion Luft (~ Higgsfeld Higgsfeld)) normalerweise kaum zu spüren am Besten erfahrbar erfahrbar,, wenn in Bewegung Objekte hoher Energie erzeugen Anregungen der Luft Luft:: Schwere Objekte (W,Z,t W,Z,t)) die sich mit hoher Energie durchs Higgsfeld bewegen bewegen,, erzeugen dort Anregungen Higgs Teilchen Die LHC Experimente 2010 Wiederentdeckung d. Stand. Modells Quarks: u,d, s, c, b (und auch t) (und auch W) November 17, 2010 LHCC open meeting 41 A beautiful ZZ event November 17, 2010 LHCC open meeting 42 How to discover the Higgs via WW decay MeasurementofW+W−Production and Search for the Higgs Boson in pp Collisions at sqrt(s) = 7 TeV CMS Collaboration, 01 March 2011, http://cdsweb.cern.ch/record/1332217 • • • In 2010 data CMS finds 13 W+W- candidate events Consistent with expectation from Standard Model A Higgs signal would accumulate at small values of Dfll 1.lepto n Dfll 2.lepto n International particle physics masterclasses 2011 43 Pippa Wells, ATLAS 17 Nov 2010 44 Highest mass di-jet 17 Nov 2010 pT jet1=670 GeV, pT jet2=610 GeV, mjj=3.7 TeV Pippa Wells, ATLAS 45 8 jets with pT>60 GeV 8-jet event 17 Nov 2010 Pippa Wells, ATLAS 46 Zusätzliche Dimensionen Warum ist die Gravitation so schwach? Idee: zusätzliche kleine Raumdimensionen Nur Gravitation spürt sie „leckt“ in andere Dimensionen Beobachtungsmöglichkeiten am LHC: Verschwinden von Gravitonen (ATLAS, CMS) Kleine Schwarze Löcher (ALICE, ATLAS, CMS) Lebensdauer ca 10-26 sec (Hawking Strahlung) Nachweis über Abstrahlung vieler Teilchen parton RS M ~ TeV parton Einige weitere Forschungsthemen am CERN CNGS: CERN Neutrinos to Gran Sasso: 732 km in einer Tiefe bis zu 11.4 km km CERN Neutrinos zum Gran Sasso 700 m 100 m 1000m p + C (Wechselwirkungen) p, 67 m K (Zerfall) m nm Experimente am Antiproton-Entschleuniger AD Biologische Wirksamkeit von Antiprotonen für Krebstherapie Antiwasserstoff Antiprotonisches He Anwendung von Antimaterie - Tumorbekämpfung ACE Experiment bei CERN QuickTime™ and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture. QuickTime™ and a TIFF (LZW) d ecompresso r are neede d to se e this picture. *) Antiproton Cell Experiment Herstellung von Antiwasserstoff 6 Schritte: Einfangen der `p (10. 000 aus 10 Mio) Kühlung mit Elektronen Entfernen der Elektronen Zugabe von 200 Mio Positronen Treffen in Mixingfalle Bildung + Vernichtung von Antiwasserstoff W.Oelert, www.weltderphysik.de/de/3341.php http://cool-antihydrogen.web.cern.ch/ LHCb: MaterieMaterie-Antimaterie„CP“Symmetrie Antimaterie = Materie mit umgekehrten Ladungen (C) Teilchenphysik Experimente: Genau genommen: auch gespiegelt (P) „CP“ Symmetrie fast immer perfekt CP--Verletzung im Standardmodell CP Quarks: klein, 1 Naturkonstante 1964: ss-Quarks 1999: bb-Quarks Ununterscheidbar K0 K0 Materie und Antimaterie Unterscheidbar! (K0-K0)/(K0+K0) decaytime Neutrinos: noch unbekannt, 11-3 Naturkonstanten Bei Weitem nicht groß genug für Kosmologische CP Verletzung Sind sie der Schlüssel zur Kosmologischen CP Asymmetrie? Immer nötig: Teilchenmassen und mind. 3 Familien(!) Technologie Transfer Beispiel: ATLAS http://cdsweb.cern.ch/record/1019620?ln=de 1989: Tim Berners-Lee http://public.web.cern.ch/public/en/about/web-en.html Weitere Vorteile von CERN: Infrastruktur Studenten in internationaler Forschung •Man lernt: Hardware • Planung, Bau, Tests • Datennahme • Überwachung... Software • Objekt Orientiert • große Programmpakete • Simulationen • Statistische Analysen • ATLAS Collaboration 1800 Physiker/innen von 170 Instituten und Unis in 35 Ländern Methodik • Team-Arbeit in internationalen Kollaborationen mit sinnvoller Aufgabenteilung • Zerlegen komplexer Probleme in Teilschritte • Koordination der Arbeit, oft über große Entfernungen • Zusammenarbeit mit Menschen anderer Kulturen und Weltanschauungen • englischsprachige Kommunikation u. Vorträge • konstruktive Konkurrenzsituationen Berufsentwicklung am Beispiel OPAL (LEP) 50% Industrie 50% Unis oder Forschungszentren, z.B. CERN fellows • • • • • • • es gibt wesentlich mehr “Physik” am CERN als vorgestellt: NA62 (seltene Zerfälle) COMPASS (Protonstruktur) CLIC Beschleuniger ISOLDE Isotope … …viel Spass am CERN!!! von einem Sommerstudenten 1998 Tag der Weltmaschine am 23. November • Anlass: 2 Jahre LHC Betrieb • Veranstaltungen bundesweit: Vorträge, Masterclasses, Science Slams, Gespräch mit Rolf Heuer… • Festveranstaltung des Netzwerks Teilchenwelt in Dresden (Land der Ideen) • Mitwirkende für SchülerScience Slam gesucht!! Reise nach Dresden/Preis zu gewinnen!
