Teilchen - Institut für Experimentelle Kernphysik
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Experimente mit dem 1 Large Hadron Collider am CERN ... Ein Ausflug in die Welt der kleinsten Teilchen Prof. Dr. Günter Quast Institut für experimentelle Kernphysik Universität Karlsruhe (TH) ... und offene Fragen des Universums 2 Die drei großen Fronten der Physik heute 3 Was „normal“ ist, ist Ansichtssache ... 4 ... oder der Tintenfisch und das Fallgesetz „Körper fallen unterschiedlich schnell, manche „fallen“ nach oben !“ ??? 5 Auch die Welt der kleinsten Dinge („Teilchen“) erscheint den (meisten) Menschen seltsam ! Albert Einstein: “Wenn die Quantenphysik recht hat, ist die Welt verrückt “ Richard P. Feynman: „I think it is safe to say that no one understands Quantum Machanics “ Die Welt der kleinen Dinge Auge Mikroskop Elektronenmikroskop Hochenergetische Teilchenstrahlen 7 Masse-Energie-Äquivalenz Konsequenz der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein, 1905 E = m·c2 Masse und Energie sind ineinaner wandelbar aus Energie können Teilchen enstehen und Teilchen können zerstrahlen Grundlage der Teilchenphysik ! Antimaterie 9 Zu jedem Teilchen gibt es ein Anti-Teilchen - Erzeugung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren aus Energie - Teilchen-Antiteilchen zerstrahlen z.B. in Photon-Paare Eigenschaften der Anti-Teilchen: Entdeckung des Positrons Gleiche Eigenschaften wie Teilchen (z.B. Masse) Entgegengesetzt geladen Beispiel: Elektron Ladung: -1e Positron Ladung: +1e Masse: 9,11·10-31 kg=511 000 eV/c2 ebenso: Anti-Proton, Anti-Neutron, Anti-Atom usw. P.Anderson 1932 Licht besteht aus Teilchen, den Photonen (Einstein, 1905) Licht hat Teilcheneigenschaften! E Photon =h⋅f E Photon =h⋅f Photon Zinkplatte Elektroskop Quecksilberdampf-Lampe als Wellenpaket Teilchen haben Welleneigenschaften11 h Teilchen= p Teilchen haben Implusabhängige Wellenlänge Kleine Strukturen nur mit hohem Impuls bzw. hoher Energie Louis deBroglie, 1925 Symmetrie zwischen Photonen und Teilchen sichtbar Grundlage der Quantenenphysik ! Noch viel mehr (Anti-)Teilchen Weitere Teilchen finden sich in der kosmischen Strahlung, z.B. Myon (µ), Pion (π) und Kaon (K) Diese Teilchen sind nicht stabil ! Der Himmel, wenn wir Teilchen „sehen“ könnten → 12 Ein einfacher Myon-Detektor für die Schule 13 Realaufbau Rohpuls Nach Pulsformung Kein Problem für moderne Oszillografen ! - mit Wasser gefüllte Kaffekanne - Sekundärelektronenvervielfacher liefert Pulse von ca. 10 ns Dauer und einigen mV Pulshöhe Play Myon Movie s. z.B. www.physik.uni-mainz.de/lehramt Teilchen leben meist nur kurz .... Das geladene Pion π- hat eine Lebenserwartung von 2,6·10-8 Sekunden und zerfällt dann in ein Myon Das Myon zerfällt nach weiteren 2,2 ·10-6 Sekunden in ein Elektron Das Elektron ist stabil ! Das freie Neutron (nicht im Atomkern gebunden) zerfällt nach ~15 Minuten in ein Proton und ein Elektron Das Proton ist stabil ! Das Licht legt in 10-9 Sekunden gerade einmal 30cm zurück ! 14 Ganz viele Teilchen – ein Zoo ? Da muss Ordnung her ! → Das Standardmodell der Teilchenphysik 15 Standardmodell π Ω Κ Β Kaon Pion Omega B φ Ξ Δ π ρ Υ Rho Ypsilon Λ Κ Delta Lambda Phi Sigma Pion Kaon η Ψ Eta Psi Σ Elektron ρ Sigma Rho Neutrino Myon Neutron Proton Standardmodell π Ω Κ Β Kaon Pion Omega B φ Ξ Δ π ρ Υ Rho Ypsilon Λ Κ Delta Lambda Phi Sigma Pion Kaon η Ψ Eta Psi Σ Elektron ρ Sigma Rho Neutrino Myon Neutron Proton Standardmodell Κ π Ω Β Kaon Pion u Omega B φ up-Quark Ξ ρ d Υ Rho Ypsilon η Ψ Eta s Psi Elektron Δdown-Quark Λ Σ strange-Quark π Κ ρ Delta Lambda Phi Sigma Pion Kaon Sigma Rho Neutrino Einige Teilchen, die sog. Hadronen, sind aus einfacheren ( „Quarks“) zusammengesetzt ! Myon Neutron Proton Urknall im Labor Erzeugung von neuen Teilchen im Labor Teilchen und (Anti-)Teilchen werden beschleunigt und zur Kollision gebracht Teilchen und Anti-Teilchen vernichten sich und es entsteht Energie (Licht oder Photonen) aus der Energie können neue Teilchen entstehen Neu erzeugte Teilchen werden in Detektoren nachgewiesen 19 LHC-Tunnel Protongeschwindigkeit v=0,999 999 991 c Teilchenphysik heute 21 In den letzten ~100 Jahren seit dem Beginn der Quantenphysik haben wir vieles verstanden. Elektron Einig wenige fundmentale Teilchen sind die Bausteine unserer Welt. e-Neutrino u up-Quark d Myon μ-Neutrino s Tauon τ-Neutrino down-Quark charm-Quark Gluon b strange-Quark bottom-Quark c Photon W-Boson t top-Quark Z-Boson Das Standard-Modell der Teilchenphysik Teilchenbaukasten Bausteine der Atomkerne Proton Neutron u u d u Quarks: up up down Ladung: + d d 2 2 1 + − = +1 3 3 3 Quarks: up down down Ladung: + 2 1 1 − − =0 3 3 3 Teilchen, die aus drei Quarks aufgebaut sind heißen BARYONEN 22 Teilchenbaukasten (2) positiv geladenes Pion π+ negativ geladenes Pion u π− u d d Quarks: up Anti-down Ladung: 23 + 2 1 + = +1 3 3 Quarks: Anti-up down Ladung: − 2 1 − = −1 3 3 Die geladenen Pionen zerfallen aufgrund der schwachen Wechselwirkung: π → Müon + µ-Neutrino Teilchen, die aus Quark und Anti-Quark aufgebaut sind heißen MESONEN Elektromagnetische Kraft Elektromagnetische Kraft Photon Elektromagnetische Kraft Photon Elektromagnetische Kraft Photon Elektromagnetische Kraft Photon Elektromagnetische Kraft Photon Gravitation Gravitation ? Graviton Starke Kraft +2/3 e u +2/3 e u d -1/3 e Proton Starke Kraft +2/3 e u +2/3 e u d -1/3 e Proton Starke Kraft +2/3 e u +2/3 e u d -1/3 e Proton Starke Kraft +2/3 e u +2/3 e u d -1/3 e Proton Starke Kraft +2/3 e u +2/3 e u Gluon d -1/3 e Proton n p ν e n p ν e „Schwache Kraft“ Schwache Kraft W-Boson Z-Boson Schwache Kraft W-Boson Z-Boson Carlo Rubbia, CERN 1983 Wir wissen bereits viel 41 Standardmodell der Teilchenphysik: 12 fundamentale Teilchen & 4 Wechselwirkungen ? *) Zu jedem Teilchen existiert auch ein Anti-Teilchen ! Gravitation noch nicht als Quantentheorie verstanden ! Dass bisher nicht gefundene Higgs-Teilchen erklärt die (träge) Masse ! Das Standard-Modell der Teilchenphysik konsistente theoretische Beschreibung der fundamentalen Teilchen und der Kräfte zwischen ihnen AUSMAHME: Gravitation ! beruht auf grundlegenden Symmetrien – elegant und schön ! Grundlagen in den frühen 70ger Jahren – und bis heute alle Präzisionstests bestanden ! es fehlt nur noch das Higgs-Teilchen ! dennoch: viele offene Fragen und nicht enthaltene Phänomene erfordern „neue Physik“ jenseits des Standardmodells 42 43 Film: Standardmodell play Offene Fragen heute: Ursprung der Massen der Elementarteilchen ? Vereinigung aller fundamentalen Kräfte ? Wo ist die Antimaterie im Universum geblieben ? Unbekannte Formen von Materie ? z.B. supersymmetrische Materie „dunkle Materie“ Was ist „dunkle Energie“ ? Verborgene räumliche Dimensionen ? 44 Ursprung der Masse ? Gibt es den Higgs-Mechanismus, und wie funktioniert er ? 45 Vereinigung aller Kräfte ? Kopplungsstärke zwischen Teilchen ändert sich mit dem Abstand: „Virtuelle Teilchen“ schirmen „nackte Ladung“ ab (sog. „Vakuum-Polarisation“) elektrische Ladung wird bei kleinen Abständen stärker ! Effekt der „Quantenelektrodynamik“, modifiziert Coulomb-Gesetz, z.B. Lamb-Verschiebung beim Wasserstoff bei kleinen Abständen wird die schwache Kraft stärker, die starke Kraft schwächer Vereinigen sich alle Kräfte bei hohen Energien (=kleinen Abständen) zu einer „Urkraft“ ? 46 Unbekannte Form(en) von Materie ! Im Sonnensystem gilt Keplers Gesetz Rotationsgeschwindigkeit von Sternen in Galaxien nicht durch „sichtbare“ Materie erklärbar ⇒ dunkle Materie ! dunkle Materie = keine elektromagnetische oder starke Wechselwirkung 47 Supersymmetrie zwischen „Bosonen“ und „Fermionen“ 48 Zwei Teilchensorten: Fermionen= Materieteilchen (Elektron, Proton, Neutron, Myon, Neutrinos, ... ) Bosonen = Kraftteilchen (Photon, Gluon, W, Z, [Graviton], [Higgs], ... ) Bosonen sind „sozial“, alle eng zusammen z.B. Laser-Licht ? ? ? ? ? gibt es auch „soziale“ ? Materieteilchen, z.B. ? Elektron, das nicht ? dem Pauli-Prinzip ? gehorcht ? ? Fermionen sind „anti-sozial“, nie zwei im gleichen Raum → „Pauli-Prinzip“ Ist Supersymmetrie die Lösung ? Supersymmetrie ordnet jedem Teilchen einen Partner zu: Boson ↔ Fermion Leichtestes supersymmetrisches Teilchen ist - stabil - elektrisch neutral - nicht stark-wechselwirkend? Ist das die dunkle Materie !? SuSy kann weitere Probleme des Standarmodells lösen: - Verbindung zur Gravitation - Brücke zur „Urkraft“ 49 Was ist „dunkle Energie“ ? Hochauflösende Messung der kosmischen MikrowellenHintergrundstrahlung mit dem WMAP-Satelliten Kleinste Temperaturschwankungen der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung von 2,7 K geben Hinweis auf Inhomogenität des frühen Universums → Existenz von ~25% dunkler Materie und 70% „dunkler Energie“ dunkle Energie = die Konstante λ in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie Was steckt teilchenphysikalisch dahinter ? 50 Verborgene Raumdimensionen ? Aus der Ferne: Seil ist 1-dim Objekt Ameise nimmt es als Oberfläche wahr – 2. Dimension ist „aufgerollt“ Struktur bei hoher Vergrößerung deutet auf dritte Dimension hin 52 Unser dreidimensionaler Raum eingebettet in höherdimensionalen Raum ? Brane-Modell: Gravitation breitet sich in allen Dimensionen aus wir bei kleinen Abständen schnell stärker (~r1-n) Ist unser Raum auch bei Abständen von 10-19 m noch dreidimensional? Werden wir „starke“ Gravitation (=Grativon-Produktion) sehen ? Teilchenpysik als Reise in die Vergangenheit des Universums 53 Temperatur ist verknüpft mit der mittleren Energie der Teilchen: <E>=3/2 kB T m u s r e s iv er t l A d n U s e Teilchenbeschleuniger LHC Tem p era tu r Entdeckungsmaschine LHC & Experimente ATLAS LHCb CERN Alice CMS 55 CERN Gegründet 1954 eines von Europas ersten Gemeinschaftsprojekten • Suche nach Antworten auf Fragen nach dem Mikrokosmos und dem frühen Univerum • Technologische Grenzen verschieben • Ausbildung der Wissenschafler von morgen • Nationen zusamenbringen durch Wissenschaft Der Large Hadron Collider (LHC) ... 56 Proton-Proton-Beschleuniger in Tunnel am CERN mit 27 km Umfang 14 TeV pro Kollision, d.h Bedingungen wie zu Zeiten10-13 -10-14 s nach dem Urknall, Abstände bis 10-19 m Vier geplante Experimente: ATLAS pp-Physik Higgs, Supersymmetrie, ... ALICE Pb-Pb-Kollisionen, Quark-Gluon-Plasma CMS pp-Physik Higgs, Supersymmetrie, ... LHC-B Physik der b-Quarks Materie-Antimaterie-Asymmetrie ... wird viele Antworten liefern ! Blick in den Tunnel Supraleitende Magnete halten die Protonen auf der Kreisbahn größte Herausforderung: Magnetfeld von 9 Tesla insgesamt 1300 Stück, 15 m lang Betrieb bei einer Temperatur von 1.9 K Alle Magnete im Tunnel auf Betriebstemperatur ! 57 LHC – Parameter 2835×2835 Proton-Proton-Pakete („bunches“) 1011 Protonen/Paket Proton-Energie: 7 TeV Kreuzungsrate der p-Pakete: 40 MHz bis zu 109 pp-Stöße/sec 58 Luminosität: 1034 cm-2s-1 Design, 0.2×1034 cm-2s-1 anfänglich 23 Ereignisse im Detektor überlagert Kinetische Energie zu Materie Video: Kollisionen in ATLAS Bei LHC: ~1000 geladene Teilchen pro pp-Wechselwirkung im Detektor Hohe Teilchendichten Herausforderung für Detektoren 59 Kollisionen bei 14 000 GeV Schwerpunktsenergie Zwei Wege zur neuen Physik am LHC: 1TeV Energie bei der Kollision elementarer „Partonen“ in Protonen (ATLAS, CMS & LHCb) 5.5 TeV bei der Kollision von „Nukleonen“ in Kernmaterie (z.B. Bleikerne) (Spezialität von ALICE) 60 Zwiebelschalenstruktur eines Detektors 61 Ein Ausschnitt aus CMS 62 CMS: fertig ! 2006 Feb. 2007 E Dez. 2007 63 Ein Blick ins Innere von ATLAS 64 65 LHCb-Detektor ALICE 66 Teilchenspuren im Detektor Sel ekt ive Re kon str uk tio n 67 Manchmal gibt es ein paar interessante ... z.B. Higgs: eines in 1011 Kollisionen Tausende von Teilchenspuren in jedem Ereignis „Interessante Physik“ passiert sehr selten, Analyse bedeutet „Suche nach der Nadel im Heuhaufen“! Herausforderung für Detektorbau, Experimentiertechnik und Datenanalyse ! Ereignis- und Daten-Raten bei LHC 68 ~ 100 Millionen Nachweis-Zellen LHC Kollisionsrate: 40 MHz 10-12 bit/Zelle ~1000 Tbyte/s Rohdatenrate ! 40 M (Wenn 6 Milliarden Menschen gleichzeitig Hz (10 telefonieren, sind das (nur) 50 TB/sec ) L 0 e 7 5 K v el 0T Nullunterdrückung und „Trigger“ 1 B/s hz ( -H e 75 G ardw c) äq reduzieren Datenrate auf Lev a uiva B/s re el 2 e „nur“ einige 100 Mbyte/s l c –O e n k t nlin omp 5 e Lev K Far l e tt el 3 hz ( m digi 5G –O tali d.h. 1 /sec 150 nline F B/sec s iert ) arm Hz ) (25 0M B/s ec) 1 Ins We titut lt-w e eit Weltweiter Datenstrom ! Daten- und Informationsfluss World-wide LHC Computing Grid EGEE Grid (Europa) u. Open Science Grid (USA) 69 EGEE z. Zt. 250 Zentren mit insg. ~50 000 CPUs Rechenleistung ~20 000 TB Speicher Ganz wichtig: die (Teilchen-)Physiker Teilchenphysik ist internationale Teamwork ! Am Cern beteiligt: 292 Institute aus Europa, ~ 5900 Nutzer 270 Institute von anderswo, ~ 3500 Nutzer 70 CERN Nutzer nach Nationen der Institute (Stand 15 Juli 2008) 71 72 Film: LHC Start play LHC, Experimente und Software/Computing Was werden wir finden? bald fertig ... Das Higgs-Boson ? wahrscheinlich SuperSymmetrie, ein Erklärung für die dunkle Materie ? möglich Quantengravitation, schwarze Löcher ? spekulativ Simulation der Produktion eines schwarzen Lochs in ATLAS „krumme“ Raumzeit-19bei kleinen Abständen von 10 m ???? „Exotica“ Es wird also spannend, bleiben Sie online ! ... im Sommer 2008 geht es los !!! 73 Schwarze Löcher am LHC ? 74 Schematische Darstellung eines schwarzen Lochs mit Milliarden Sonnenmassen, das einen Stern verschluckt. Am LHC höchstens „mikroskopische“ Schwarze Löcher“ Erzeugung nur mittels „neuer Physik“ denkbar, z.B. bei Existenz zusätzlicher Raumdimensionen - sie sind instabil ( „Hawking-Strahlung“) - Prozesse wie am LHC auf Grund der kosmischen Strahlung seit Milliarden Jahren, ohne Gefahr für die Erde - Gefahr durch stabile, mikroskopische schwarze Löcher durch kosmische Beobachtungen ausgeschlossen: würden z.B. in Sternen gestoppt ! Simulierter Zerfall eines schwarzen Lochs im ATLAS-Detektor Informationsquellen www.teilchenphysik.de www.welt-der-physik.de cern.ch/PhysicsTeaching www.cern.ch (englisch) teachers.cern.ch (englisch) „Physik am Samstag“ an verschiedenen Universitäten Lehrerfortbildungen - an einigen Universitäten - 3*3 Tage pro Jahr „CERN teachers lab“ in deutscher Sprache www.ketWeb.de/ketStudie/ketStudie.html http://education.web.cern.ch/education 75 76 Anhang Teilchenphysik 77 Beispiele: universelles eV 1 GeV Masse des Protons 52 GeV Masse eines Eisenatoms 150 GeV Masse des Higgs-Bosons ?? 0.025 eV Temperatur in diesem Raum 2.3⋅10-4 eV heutige Temperatur des Universums 0.150 GeV Temperatur für das „Schmelzen“ von Kernmaterie 1/(100 GeV) Zeit der Massenerzeugung elementarer Teilchen nach dem Urknall 14000 GeV Energie der Protonen im LHC am CERN 78 Teilchennachweis Geladene Teilchen schwärzen Filme Photoplatten, Emulsionen Geladene Teilchen können Gase und Flüssigkeiten ionisieren z.B. Nebelkammer, Funkenkammer Geladene Teilchen werden im Magnetfeld abgelenkt (Lorentzkraft) Bestimmung von Ladung und Impuls Die meisten Teilchen werden in einem dicken Eisen-/Blei-Block abgebremst Bestimmung der Energie 79 Universaleinheit Elektron-Volt (eV) 1 eV ist eine Energieeinheit: Nach E=mc2 kann auch Masse in Einheiten der Energie gemessen werden (mit c=1 erhält man „natürliche Einheiten“) Impuls hat die Einheit [E]/[c], kann auch in eV gemessen werden Temperatur hat zu tun mit der mittleren Energie von Teilchen, kann auch in eV gemessen werden (<E>=kBT, kB=1) Länge und Zeit haben die natürlichen Einheiten 1/eV (mit h=1) 80 Teilchenbeschleuniger Elektrisch geladene Teilchen (z.B. Elektronen) können in einem elektrischen Feld beschleunigt werden Einfacher Elektronenbeschleuniger: “Braunsche Röhre” Beschleunigungsspannung V=1Volt ⇒ kinetische Energie = 1eV Beschleunigungsspannung V=1000Volt ⇒ kinetische Energie = 1000eV=1keV 81 Teilchenbeschleuniger (2) Elektron durchläuft eine Spannungsdifferenz von 1 Volt Elektron wird „schneller“ und seine Energie erhöht sich um 1 eV Hintereinanderschalten vieler Beschleunigungsstrecken Elektrisches Feld muß zur richtigen Zeit umgepolt werden Linear-Beschleuniger 82 Ringbeschleuniger Magnetfeld zwingt Teilchen auf Kreisbahn Teilchen durchlaufen Beschleunigungsstrecken bei jedem Umlauf erneut Hohe Energien erfordern große Ringdurchmesser Beispiel: LEP-Beschleuniger am CERN Umfang: 27 km Elektron-Energie: ~ 100 GeV 83 Das Innere des Protons Hera-Beschleuniger Hamburg in Betrieb bis Sommer 2007 Elektron-Proton-Streuung Proton-Inneres genau vermessen Wichtig für den LHC ! 84 pp-Kollision bei LHC Proton Proton 85 Entdeckungsmaschine LHC & Experimente LHCb LHC ATLAS Alice CMS Teilchenphysik ist international 267 Institute in Europa, 4600 Nutzer 208 Institute anderswo, 1600 Nutzer 87 Bsp.: Die Suche nach dem Higgs mit CMS •H H → γγ •H 4μ 88 → ZZ→ nach 1 Jahr LHC (Diplomarbeit J.Weng) Higgs-Suche im ersten Jahr von LHC ist „Statistik kleiner Zahlen“ Wenn das Higgs existiert, wird es am LHC gefunden werden ! Ein einfacher Myondetekor für die Schule www.physik.uni-mainz.de/lehramt Teilchenphysik bestimmt Geschichte des Universums 90 CERN in Numbers • • • • 91 2329 staff* 711 Fellows and Associates* 9360 users* Budget (2007) 982 MCHF (610M Euro) *15 July2008 • Member States: Austria, Belgium, Bulgaria, the Czech Republic, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Italy, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom. • Observers to Council: India, Israel, Japan, the Russian Federation, the United States of America, Turkey, the European Commission and Unesco
