Beschleuniger: Mikroskope der Quantenwelt

BESCHLEUNIGER:
Mikroskope der Quantenwelt
Thomas Hebbeker
Humboldt-Universitat Berlin
Urania 04.04.2000
http://eeh01.physik.hu-berlin.de/~hebbeker/beschleuniger.html
U BERSICHT
und DESY
Was macht ein Teilchenbeschleuniger ?
Wozu benutzt man Beschleuniger ?
Wie funktionieren Beschleuniger ?
Wie weist man die Teilchen nach ?
Die Beschleunigerzentren CERN
Fernsehapparat = Teilchenbeschleuniger
Erzeugung Beschleunigung Ablenkung
Kollision
Glass
Glühkathode
Anode
t
r
e
i
ku
eva
Elektron
Elektrisches Feld
-
+
20000 V
Magnetfeld
Photonen
Was macht ein Teilchenbeschleuniger ?
Elementarteilchen
Quelle
Kollision
Beschleuniger
Elementarteilchen
1) Was ist ein (Elementar-)Teilchen ?
Neutrino , Proton p, Elektron e,, Quark q, Photon : : :
Antineutrino , Antiproton p, Positron e+, Antiquark q, Photon : : :
Beschleunigt werden konnen geladene stabile Teilchen:
Proton p, Elektron e,, Antiproton p, Positron e+, schwere Kerne
2) Man wiederholt das Experiment sehr haug! Warum?
Quantentheorie! Selbst bei gleichen Anfangsbedingungen ist der Endzustand
immer ein anderer : : :
Wahrscheinlichkeitskeitsverteilungen
!
Kristall
Molekuel
Atom
AtomKern
Elementarteilchen
Hadronen
Mesonen
Leptonen
e , µ , τ, νe ,νµ, ντ
punktfoermig
Baryonen
Kerne
Quarks
Proton
Neutron
1 cm
-8
10 cm
-12
10 cm
-13
10 cm
(Woher wissen wir dies ? aus Beschleunigerexperimenten : : : )
u,c,d,s,b,t
Bz=4 . 350
1042
X
-9.6 Vt x (
Da t e 9 3 0 5 2 7 T i me
- 0 . 05 ,
0 . 3 6 ) Mu o n ( N=
2 0 0 . cm .
8 SumE=
5 10
5 . 0 ) Hc a l ( N= 4 SumE=
20
5 0 Ge V
2 ) Se c V t x ( N= 0 ) F d e t ( N= 1 SumE=
2 Sump = 9 1 . 4 ) E c a l ( N=
0 . 08 ,
2 0 7 2 4 C t r k ( N=
- 0 . 07 ,
0 . 06 ,
- 0 . 8 0 ) Mu o n ( N=
0 . 0000 )
2 0 0 . cm .
5 10
20
5 0 Ge V
0 ) Se c V t x ( N= 3 ) F d e t ( N= 0 SumE=
0 . 02 ,
0 . 0000 )
- 0 . 05 ,
0 . 12 ,
2 0 0 . cm .
- 0 . 9 0 ) Mu o n ( N=
0 . 0000 )
2 0 0 . cm .
6 SumE=
5 10
!
4 . 0 ) Hc a l ( N= 4 SumE=
20
20
5 0 Ge V
5 0 Ge V
1 ) Se c V t x ( N= 0 ) F d e t ( N= 2 SumE=
:::
X
- 0 . 03 ,
0 . 08 ,
- 0 . 4 9 ) Mu o n ( N=
2 0 0 . cm .
- 0 . 5 6 ) Mu o n ( N=
5 10
20
5 0 Ge V
0.0)
0.0)
0 . 09 ,
5 0 Ge V
7.7)
- 0 . 03 ,
2 0 0 . cm .
20
2 ) Se c V t x ( N= 1 ) F d e t ( N= 0 SumE=
0 . 0000 )
5 10
4 3 9 3 3 C t r k ( N= 1 7 Sump = 3 4 . 2 ) E c a l ( N= 2 0 SumE= 6 5 . 8 ) Hc a l ( N= 1 1 SumE=
0 . 0000 )
1 ) Se c V t x ( N= 8 ) F d e t ( N= 0 SumE=
Da t e 9 0 0 8 0 6 T i me 1 3 4 2 2 2 C t r k ( N= 7 5 Sump = 5 6 . 6 ) E c a l ( N= 7 5 SumE= 6 5 . 8 ) Hc a l ( N= 2 3 SumE= 1 1 . 5 )
0 . 0000 ,
T h r u s t = 0 . 7 3 8 1 Ap l a n = 0 . 0 6 1 7 Ob l a t = 0 . 2 8 9 6 Sp h e r = 0 . 4 7 3 2
Eb e am 4 5 . 1 3 7 E v i s 1 0 4 . 4 Em i s s - 1 4 . 1 V t x (
Ru n : e v e n t 1 9 2 2 : 5 3 8 6 8
Y
Z
0 . 0000 ,
-5.5 Vt x (
Da t e 9 3 0 5 1 9 T i me
9 6 . 8 Em i s s
X
0 . 0000 ,
0 . 0000 ,
T h r u s t = 0 . 9 5 4 4 Ap l a n = 0 . 0 0 1 8 Ob l a t = 0 . 1 3 2 6 Sp h e r = 0 . 0 2 0 4
Y
Z
Ce n t r e o f s c r e e n i s (
Bz=4 . 350
Eb e am 4 5 . 6 5 9 E v i s
Ru n : e v e n t 4 0 5 5 : 1 7 3 5 5
Ce n t r e o f s c r e e n i s (
Bz=4 . 350
0.0)
4.3)
0.0)
3 5 9 2 5 C t r k ( N= 2 8 Sump = 4 2 . 1 ) E c a l ( N= 4 2 SumE= 5 9 . 8 ) Hc a l ( N= 8 SumE= 1 2 . 7 )
5 10
0 . 4 4 ) Mu o n ( N= 1 1 ) Se c V t x ( N= 0 ) F d e t ( N= 0 SumE=
4 Sump = 9 1 . 9 ) E c a l ( N=
0 . 06 ,
1 0 8 5 6 C t r k ( N=
LEP: e+e,
-4.9 Vt x (
Da t e 9 2 0 7 0 8 T i me
9 6 . 2 Em i s s
7994
X
0 . 0000 ,
T h r u s t = 0 . 8 3 4 3 Ap l a n = 0 . 0 0 0 9 Ob l a t = 0 . 3 9 7 1 Sp h e r = 0 . 3 1 4 9
Eb e am 4 5 . 6 5 2 E v i s
Ru n : e v e n t 3 2 2 3 :
Y
Z
0 . 0000 ,
5.0 Vt x (
Da t e 9 1 1 0 1 4 T i me
8 6 . 2 Em i s s
X
0 . 0000 ,
0 . 0000 ,
T h r u s t = 0 . 8 2 2 3 Ap l a n = 0 . 0 1 2 0 Ob l a t = 0 . 3 3 3 8 Sp h e r = 0 . 2 4 6 3
Y
Z
Ce n t r e o f s c r e e n i s (
Bz=4 . 350
Eb e am 4 5 . 6 0 9 E v i s
Ru n : e v e n t 2 5 4 2 : 6 3 7 5 0
Ce n t r e o f s c r e e n i s (
Bz=4 . 350
0.0)
6.9)
0.0)
2 0 7 1 6 C t r k ( N= 3 9 Sump = 7 3 . 3 ) E c a l ( N= 2 5 SumE= 3 2 . 6 ) Hc a l ( N= 2 2 SumE= 2 2 . 6 )
0 . 0000 )
-8.6 Vt x (
Da t e 9 3 0 5 2 7 T i me
0 . 0000 ,
X
0 . 0000 ,
0 . 0000 ,
T h r u s t = 0 . 9 8 7 3 Ap l a n = 0 . 0 0 1 7 Ob l a t = 0 . 0 2 4 8 Sp h e r = 0 . 0 0 7 3
9 9 . 9 Em i s s
1000
0 . 0000 ,
T h r u s t = 0 . 9 9 4 5 Ap l a n = 0 . 0 0 0 0 Ob l a t = 0 . 0 3 0 4 Sp h e r = 0 . 0 0 1 3
Eb e am 4 5 . 6 5 8 E v i s 1 0 1 . 0 Em i s s
Ru n : e v e n t 4 0 9 3 :
Y
Z
en t r e o f s c r een i s (
Bz=4 . 350
Eb e am 4 5 . 6 5 8 E v i s
Ru n : e v e n t 4 0 9 3 :
Y
Z
en t r e o f s c r een i s (
Energien und Massen
Energie-Einheit `Elektronenvolt':
+
1 eV = kinetische Energie eines
Elektrons e, nach Durchiegen
einer Spannung von 1 Volt.
Meist benutzt man Giga-eV:
e1 GeV = 109 eV 10,10 J
E
1V
+
-
Energie und Masse:
Einsteins Relativitatstheorie:
E = m c2
c = 300000 km=s = Lichtgeschwindigkeit
Energie kann in Masse verwandelt werden und umgekehrt!
Ruhendes Teilchen mit Masse m hat die Energie E
Beispiel Proton: m = 1:7 10,27 kg 1 GeV=c2
!
Masseneinheit = GeV=c2
Wozu benutzt man Beschleuniger ?
1) Studium von Teilchen und Kraften bei hohen Energien
$
1015 oC
$
10,11 s
a) Hohe kinetische Energien entsprechen hohen Temperaturen:
Universum kurz nach dem `Big Bang'!
!
100 GeV
Bausteine und Krafte der Natur
T = k1 E
b) Neue sehr schwere=massive Teilchen konnen erzeugt werden: m = cE2
Schwerstes bisher gefundenes Teilchen:
Top-Quark
m(Top) = 175 GeV=c2 = 180 m(Proton)
!
Wozu benutzt man Beschleuniger ?
2) Auosung sehr kleiner Strukturen
111111
000000
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
000000
111111
λ
λ
Teilchen haben Welleneigenschaften!
Raumliche Auosung = Wellenlange
h c E1
Unscharferelation
Je kleiner die Strukturen, desto groer der Beschleuniger!
100 GeV
!
!
1 Protondurchmesser
10,18 m = 1000
Beschleuniger = Super-Mikroskop fur Elementarteilchen
Auosung kleiner Strukturen
Quelle
Prinzip: Streuung liefert Information uber Objekt
Objekt
Detektor
Teilchen
Beispiele
`Teilchen'
Quelle
Detektor
Wellenlange
Schallwellen
FledermausKehlkopf
Sonne
FledermausOhr
Auge
1 cm
1 m
1 eV
Elektronen-
mikroskop
10,12 m
100000 eV
Teilchenbeschleuniger
Teilchendetektor
10,18 m
100 GeV
Photonen
(Licht)
Elektronen
Elektronen
Energie
Wie beschleunigt man geladene Teilchen ?
Elektrisches Feld
+
Magnetisches Feld
Anode
F
Kraft F~ = qE~
B
E
e-
e-
-
Nordpol
Kathode
Kraft beschleunigt oder lenkt ab.
v
F
Suedpol
Kraft F~ = q ~v B~
Kraft lenkt (stark) ab.
Wie funktionieren Teilchenbeschleuniger ?
Ziel: Beschleunigung auf hohe Energien (> 100 GeV)
-
+
e-
E
Prinzip: Durchlaufen eines elektrischen Feldes!
Aber: man benotigt > 100 000 000 000 Volt !
+
funktioniert nicht: Funken, Durchschlage
Ausweg: hauges Durchlaufen einer `kleinen' Spannung (< 10 000 000 Volt=Meter).
Optionen:
Linearbeschleuniger
E
E E
E
E
E
B
B
E B
B
B
E
E
E
E
E
E
E
E
B
B
B
B
B
Kreisbeschleuniger
starke Magnete zur Ablenkung
B
B
B
B
B B
!
!
Hohe Energien erfordern (mehrere km) groe Beschleuniger !
B
Prinzip des Linearbeschleunigers
Teilchenkollisionen
Drei Moglichkeiten:
Teilchen werden auf ruhende Materie geschossen
Zwei Beschleuniger schieen Teilchen aufeinander
e+
e-
Hohe Kollisionsenergie!
EIN Ring mit entgegenlaufenden
Teilchen und Antiteilchen
Hohe Kollisionsenergie! Elegant!
e+
e-
Groe Teilchenbeschleuniger-Zentren in Europa
DESY (Hamburg)
=
`Deutsches
ElektronenSYnchrotron'
CERN (GENF)
=
`European
laboratory
for
particle physics'
Die groten Beschleuniger bei CERN und DESY
CERN 6000 Physiker/innen
{ SPS = Super-Protonen-Synchrotron
Protonen (+ Antiprotonen), 500 GeV
Entdeckung der Teilchen W und Z : : :
{ LEP = Large Electron Positron Collider
Elektronen + Positronen, je 100 GeV
Prazisionsmessungen an Z und W : : :
{ IM BAU: LHC = Large Hadron Collider
Protonen + Protonen, je 7000 GeV
Suche nach neuen Teilchen (Higgs, : : : ) : : :
DESY 3000 Physiker/innen
{ HERA = Hadron-Elektron-RingAnlage
Protonen 900 GeV + Elektronen/Positronen 30 GeV
Struktur des Protons : : :
{ GEPLANT: TESLA =Tev-Energie Supraleitender LineArbeschleuniger
Elektronen + Positronen, je 500 GeV
Prazisionsmessungen am Higgs : : :
Wie baut man groe Beschleuniger ?
U berwachung und Steuerung
Ablenk- und Fokussierungsmagnete
Ablenkung: Kreisbahn, Injektion, Auslenkung : : :
Fokussierung: Bundelung der Teilchenpakete
Beschleunigungselemente
evakuiertes Strahlrohr
damit Teilchen nicht mit
Luftmolekulen zusammenstoen
Teilchenquellen
Proton, Elektron,
Antiproton, Positron
Groen Tunnel !
Man benotigt:
27 km Umfang
300
supraleitende
Beschleunigungsstrecken
3000
Dipolmagnete
von je 6 m
Lange
800
Quadrupolmagnete
4 groe
Detektoren
LEP = Large Electron Positron collider
Elektron mit E
kin
Beschleuniger und Relativitatstheorie
= 100 GeV:
`Klassische' Mechanik:
v/c
Ekin = 12 m v2
v 600 c
200 Millionen km=s
Ekin = p
1
1,v 2=c2
,1 mc
v 0:99999999999 c
300 Tausend km=s
!
i
n
a
ch
k
e
M
e
h
3
kla
sc
i
s
s
2
Relativitatstheorie:
4
2
1
0
Relativitaetstheorie
0
1
2
3
4
5
6
Beschleuniger testen die Relativitatstheorie
7
8
9 10
Ekin / m c2
3m=s2)
a = 0:0001 m=s2
v = 299792457:996 m=s
v = 299792457:902 m=s
Beschleunigt ein Beschleuniger ?
Elektronen in LEP:
1) Injektion: E = 20 GeV
t 15 min spater:
2) E = 100 GeV
Beschleunigung:
Es kommt auf die Energie an, nicht auf Geschwindigkeit/Beschleunigung!
Fast null! (Auto:
!
Teilchendetektoren
weisen die bei einer Kollision entstehenden Teilchen nach.
Gemessen werden Energie/Impuls, Ladung, Flugrichtung : : : .
Gas
Spurdetektoren
Geladene Teilchen werden im Magnetfeld
abgelenkt und ionisieren Gas.
Elektrische Signale ermoglichen
Spurrekonstruktion und Impulsmssung
Draehte mit
Hochspannung
Kalorimeter
Teilchen werden in Materie gestoppt.
Dabei entsteht u.a. Licht,
das man nachweist.
Genaue Messungen erfordern groe Detektoren!
Licht
B
!
!
`Spino' der Beschleunigerzentren
Beschleuniger in der Medizin, Biologie : : :
Rontgenrohre
Synchrotronstrahlung:
HASYLAB am DESY, BESSY in Berlin : : :
Supraleitung und Kaltetechnik
HERA: grote Heliumverussigungsanlage Europas
!
Vakuumtechnik
10,14 bar
!
!
Elektronik und Computer
Datenproduktion LHC-Detektor: 1016 bit=s > weltweiter Telefonverkehr
WWW wurde am CERN erfunden
!
Internationale Kooperation
Zusammenfassung
Aufgabe von Teilchenbeschleunigern:
\Verstehen was die Welt im Innersten zusammenhalt"
Supermikroskope der Quantenwelt
!
!
Funktionsweise von Teilchenbeschleunigern:
Elektrische Krafte beschleunigen geladene Teilchen
hohe Energie erfordert groe Beschleuniger!
Relativitatstheorie !
!
DESY und CERN:
europaische Forschungszentren mit Grobeschleunigern: LEP, HERA, : : :
Resultate:
Entdeckungen von W und Z, Struktur des Protons : : :
Zukunft: Entdeckung des Higgs-Teilchens ? U berrraschungen ?
BITTE BESUCHEN SIE DIE AUSSTELLUNG!