H. Kolanoski, Urknall im Labor 121. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Der Urknall im Labor -Der Urknall im Labor -

Teilchenphysik bei den höchsten Energien

Hermann Kolanoski, Humboldt-Universität zu Berlin

H. Kolanoski, Urknall im Labor 221. Sept. 2007 - Tage der Forschung

… worüber ich berichten will:… worüber ich berichten will:

Gigantisch:• Large Hadron Collider• Detektor• Datenströme• Datenverarbeitung

Warum:• Hohe Energien• Forschungsziele• unser Universum verstehen

Soziologie:• internationale Kollaborationen• Management• Kommunikation• Individuen in der Menge

H. Kolanoski, Urknall im Labor 321. Sept. 2007 - Tage der Forschung

CERN, der Large Hadron Colliderund seine Experimente

CERN, der Large Hadron Colliderund seine Experimente

H. Kolanoski, Urknall im Labor 421. Sept. 2007 - Tage der Forschung

LHCLHC

Proton-Proton-Collider LHC : 27 km lang

100 m unter der Erde

Schwerionen, pp

ALICE

B-Physik,CP-Verletzung

UniverselleDetektorenUniverselleDetektoren

CMS+TOTEM

ATLAS

H. Kolanoski, Urknall im Labor 521. Sept. 2007 - Tage der Forschung

• CERN ist das weltweit größte Zentrum für Teilchenphysik

• was Teilchenphysiker suchen::- elementaren Bausteine der Materie - die fundamentalen Kräfte, die alles

zusammenhalten

• dazu braucht die Teilchenphysik:- aufwendige Apparaturen um neue Teilchen zu erzeugen und zu untersuchen

Was ist CERN?

CERN is:-~ 2500 staff scientists(physicists, engineers, …)- Some 6500 visitingscientists (half of theworld's particlephysicists)

They come from500 universitiesrepresenting80 nationalities.

CERN

H. Kolanoski, Urknall im Labor 621. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Von der Entdeckung des Elektrons bis …Von der Entdeckung des Elektrons bis …

… bis zu der Entdeckung des Higgs, SUSY, Extra-Dimensionen …

H. Kolanoski, Urknall im Labor 721. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Die ATLAS-KollaborationDie ATLAS-Kollaboration

H. Kolanoski, Urknall im Labor 821. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Die Motivation …Die Motivation …

H. Kolanoski, Urknall im Labor 921. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Entwicklung des Universums

Standardmodelle:Kosmologie und Teilchenphysik

Standardmodelle:Kosmologie und Teilchenphysik

Alles verstanden? Es bleiben Fragen: Higgs, Dunkle Materie, Quantentheorie der Gravitation, ….

H. Kolanoski, Urknall im Labor 1021. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Warum hohe Energien?Warum hohe Energien?

Energie: - Abtasten von Strukturen- Aufbrechen von Strukturen- Erzeugung von neuer Materie: E=mc2

OrtsauflösungMikroskop: 10-6 m

Δx = h/ Δp

E=mc2

ProtonProton

OrtsauflösungLHC: 10-20 m

H. Kolanoski, Urknall im Labor 1121. Sept. 2007 - Tage der Forschung

HIGGS-TeilchenHIGGS-Teilchen

Die Teilchen in den 3 Familien unterscheiden sich nur in ihrer Masse.

Schöne Symmetrie, wenn alle Teilchen keine Masse hätten.Warum haben die Teilchen Masse?

Antwort der Theoretiker: Higgs-Teilchen „gibt“ allen Teilchen Masse

Wie kann man das verstehen????

Masse ⇔ Trägheit

Der britische Wissenschaftsminister wollte das auch verstehen, bevor er das Geld für den „Large Hadron Collider“

locker macht ……..

H. Kolanoski, Urknall im Labor 1221. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Wie die HIGGS-Teilchen träge machenWie die HIGGS-Teilchen träge machen

Masse ⇔ TrägheitParty: Gäste erwarten

Angela … Angela kommt –

Wellenbewegung in Richtung TürGäste suchen die Nähe

von Angela

Angela wird unbeweglich –bekommt MasseGäste = Higgs-Feld

Angela = massives Teilchen

H. Kolanoski, Urknall im Labor 1321. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Dunkle Materie und …Dunkle Materie und …

Mikrowellenhintergrund(Nobelpreis 2006)

Rotationskurven von Galaxien Dynamik von Galaxienhaufen

H. Kolanoski, Urknall im Labor 1421. Sept. 2007 - Tage der Forschung

… und Supersymmetrie… und Supersymmetrie

„Neutralinos“ sind Kandidatenfür Dunkle Materie

stabiles LSP„lightest SUSY particle“

H. Kolanoski, Urknall im Labor 1521. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Suche nach ‚Extra-Dimensionen‘Suche nach ‚Extra-Dimensionen‘

Basic idea : solve hierarchy problem MEW / MPlanck ~ 10-17 bylowering gravity scale from MPlanck ~ 1019 GeV to MD ~ 1 TeV

Possible if gravity propagates in 4 + n dimensions.

Mini Schwarzes

Loch

H. Kolanoski, Urknall im Labor 1621. Sept. 2007 - Tage der Forschung

ForschungsprogrammForschungsprogramm

Suche nach

• nach Supersymmetrie (→ Dunkle Materie?)

• dem Higgs-Teilchen

• Extra-Dimensionen

Antworten auf die offenen Fragen der Teilchenphysik und der Kosmologie- also unserer Welt

• … dem Unerwarteten

H. Kolanoski, Urknall im Labor 1721. Sept. 2007 - Tage der Forschung

ApparaturenApparaturen

H. Kolanoski, Urknall im Labor 1821. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Maschine: Large Hadron Collider (LHC)Maschine: Large Hadron Collider (LHC)Ablassen des ersten Dipolmagneten in den Tunnel im März 2005

… und der 616. Magnet von insgesamt 1232 im Juli 2006

Supraleitende Magnettechnologie basiert auf Pionierarbeit für HERA-Collider im DESY

B = 8.34 T

T ≈ 1 K

H. Kolanoski, Urknall im Labor 1921. Sept. 2007 - Tage der Forschung

LHC-ParameterLHC-Parameter

7 TeV + 7 TeVEnergie

Bunch-Kollisionen: 40 MHz = 1/25 ns

Luminosität L = 1034 cm-2 s-1

!!! GHz 1 /sEreignisse 10

:folgt cm10mb 100mit 9

225-pp

==

=≈

⋅=

N

LσN

&

&

σ

⇒ in 1 Jahr = 107 s wird 1 Ereignis erzeugt, das 1016 –mal seltener als eine Proton-Proton-Kollision ist !!

H. Kolanoski, Urknall im Labor 2021. Sept. 2007 - Tage der Forschung

F&E für DetektorenF&E für Detektoren

Anforderungen an die Detektoren:

• gute Auflösung (Ort, Energie, Impuls, …)• hohe Granularität, niedrige „Occupancy“ • strahlenhart• schnelle Signale• hohe Integrationsdichte der Elektronik

Bedingungen für die Detektoren:

• hohe Teilchenraten• hohe Teilchendichten …• schnelle Ereignisfolge

H. Kolanoski, Urknall im Labor 2121. Sept. 2007 - Tage der Forschung

DetektorelektronikDetektorelektronik

ASIC-Entwicklungen• strahlenharte Technologien (jetzt deep-submicron)

• hohe Integrationsdichte: Granularität und Anzahl)• Pipeline-Prinzip (Speichern, um Totzeit zu vermeiden)

• …

Beispiel: Pixel-Detektoren

H. Kolanoski, Urknall im Labor 2221. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Toroidmagnet-InstallationToroidmagnet-Installation

H. Kolanoski, Urknall im Labor 2321. Sept. 2007 - Tage der Forschung

H

L

T

DATAFLOW

40 MHz

75 kHz

~2 kHz

~ 200 Hz

120 GB/s

~ 300 MB/s

~2+4 GB/s

Event Building N/workDataflow Manager

Sub-Farm InputEvent BuilderEB

SFI

EBNDFMLvl2 acc = ~2 kHz

Event Filter N/work

Sub-Farm Output

Event FilterProcessors EFN

SFO

Event FilterEFP

EFPEFP

EFP

~ sec~4

GB/

s

EFacc = ~0.2 kHz

Trigger DAQ

RoI BuilderL2 Supervisor

L2 N/workL2 Proc Unit

Read-Out Drivers

FE Pipelines

Read-Out Sub-systems

Read-Out Buffers

Read-Out Links

ROS

120 GB/s

ROB ROB ROB

LVL1

DET

R/O

2.5 μs

CaloMuTrCh Other detectors

Lvl1 acc = 75 kHz

40 MHz

RODRODROD

LVL2 ~ 10 ms

ROIB

L2P

L2SV

L2N

RoI

RoI data = 1-2%

RoIrequests

Trigger, Datennahme und DetektorkontrolleTrigger, Datennahme und Detektorkontrolle

H. Kolanoski, Urknall im Labor 2421. Sept. 2007 - Tage der Forschung

LHC und die Datenflut„The Big Data Bang“

LHC und die Datenflut„The Big Data Bang“

Jede Sekunde -

600 000 000 Ereignisse -

x 20 000 000 Sensoren

≈ 10 Petabyte/s

Datenfilter: 1 : 10 000 000

Datenspeicher: 10 Petabyte pro Jahr

(~ 1% der globalen Information)

http://edu-resources.web.cern.ch/edu-Resources/CERN_Intro_061101.pdf

Concorde(15 Km)

Balloon(30 Km)

CD stack with1 year LHC data!(~ 20 Km)

Mt. Blanc(4.8 Km)

1 Megabyte (1MB)A digital photo

1 Gigabyte (1GB) = 1000MBA DVD movie

1 Terabyte (1TB)= 1000GBWorld annual book production

1 Petabyte (1PB)= 1000TBAnnual production of one LHC experiment

1 Exabyte (1EB)= 1000 PBWorld annual information production

H. Kolanoski, Urknall im Labor 2521. Sept. 2007 - Tage der Forschung

LHC-Datenanalyse erfordert Computer Kapazitäten entsprechend ~ 100,000 der schnellsten heutigen PC’s

Wo findet man das?

LHC DatenverarbeitungLHC Datenverarbeitung

Lösungen auch dafür?

H. Kolanoski, Urknall im Labor 2621. Sept. 2007 - Tage der Forschung

LHC Computing GridLHC Computing Grid

LHC-Experimente:~200 Computer-Center12 große Zentren (Tier-0, Tier-1)38 kleinere “Tier-2”-Zentren

Tier-2s and Tier-1s are inter-connected by the general

purpose research networks

Any Tier-2 mayaccess data at

any Tier-1

Tier-2 IN2P3TRIUMF

ASCC

FNAL

BNL

Nordic

CNAF

SARAPIC

RAL

GridKa

Tier-2

Tier-2

Tier-2

Tier-2

Tier-2

Tier-2

Tier-2Tier-2Tier-2

Web für Informationen ↔ Grid für Computing

H. Kolanoski, Urknall im Labor 2721. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Das weltweite LHC-GRIDDas weltweite LHC-GRID

H. Kolanoski, Urknall im Labor 2821. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Tier-1 Centers: TRIUMF (Canada); GridKA(Germany); IN2P3 (France); CNAF (Italy); SARA/NIKHEF (NL); Nordic Data Grid Facility (NDGF); ASCC (Taipei); RAL (UK); BNL (US); FNAL (US); PIC (Spain)

H. Kolanoski, Urknall im Labor 2921. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Kollaboration und Individuen in ATLASKollaboration und Individuen in ATLAS

H. Kolanoski, Urknall im Labor 3021. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Arbeiten am und für das ExperimentArbeiten am und für das Experiment

This month's photo is of the insertionof ATLAS pixel barrel layer 2 into the global support frame.

Control room at H8 2am saturday morning, red team raises the alarm.

"We have lost contact with module 2, Sir..."

ATLAS-Kontrollraum: noch sehr friedlich …

Kontrollraum eines Teststrahls

H. Kolanoski, Urknall im Labor 3121. Sept. 2007 - Tage der Forschung

KommunikationKommunikation

• E-Mail• Telefon• Web

• Meetings, lokal und fernmit:

• Telefon-Konferenz• Video-Konferenz• VRVS

• 3-mal pro Jahr „ATLAS OverviewWeek“(davon 1-mal ausserhalb CERN)

H. Kolanoski, Urknall im Labor 3221. Sept. 2007 - Tage der Forschung

„Outreach“„Outreach“

http://atlasexperiment.org/index.html

ATLAS-Film

http://www.weltderphysik.de/ Zutaten für ein UniversumWelt des Allerkleinsten

Hands on CERN – an educational project aimedat teachers and high school students studying natural sciences of matter.

Teilchenphysik für alle: http://www.teilchenphysik.org/info.htm

DESY Angebote für Schüler und Lehrer:http://zms.desy.de/arbeiten__lernen/schueler__lehrer/index_ger.html

http://www.kworkquark.net/start/wissensdurst2.html

H. Kolanoski, Urknall im Labor 3321. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Teacher ProgrammesTeacher Programmes

http://atlasexperiment.org/index.html

http://public.web.cern.ch/Public/Content/Chapters/Education/TeacherProgrammes/TeacherProgrammes-en.html

H. Kolanoski, Urknall im Labor 3421. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Speakers age distribution

02468

101214

20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76

Age (years)

Ent

ries

/ 2

year

s99 entries (21 F plus 78 M)

441 registered participants

5th ATLAS Physics WSRome 6-11 June 2005

H. Kolanoski, Urknall im Labor 3521. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Studenten in ATLASStudenten in ATLAS

ATLAS-Studentenvon der Humboldt-Universität

studiert die „Physik der 1.Stunde“

arbeitet an einer graphischen Darstellung eines Online- Überwachungssystems

arbeitet an einer Testinstallation für die „Higher-Level-Triggerfarm(im DESY-Rechenzentrum)

Etwa 400 Doktoranden in ATLAS

Einzigartige Möglichkeiten:• Teil von etwas Bedeutendem• Teamarbeit, Kommunikation• Sichtbarkeit in der Kollaboration

und nach außen• Internationalität

Die Größe der Kollaboration scheint für Studenten kein Problem zu sein (eher für die Bosse).

Aufgaben sind eingebettet in kleinere Arbeitsgruppen, in denen auch ein Diplomand für sein Gebiet der Spezialist sein kann.

H. Kolanoski, Urknall im Labor 3621. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Studenten in internationaler ForschungStudenten in internationaler ForschungMan lernt:

HardwarePlanung, Bau, TestsDatennahmeÜberwachung...

SoftwareObjekt Orientiertgroße ProgrammpaketeSimulationenStatistische Analysen

MethodikTeam-Arbeit in internationalen Kollaborationen mit sinnvoller AufgabenteilungZerlegen komplexer Probleme in TeilschritteKoordination der Arbeit, oft über große EntfernungenZusammenarbeit mit Menschen anderer Kulturen und Weltanschauungenenglischsprachige Kommunikation und Vorträgekonstruktive Konkurrenzsituationen

H. Kolanoski, Urknall im Labor 3721. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Berufsentwicklung am Beispiel OPAL (LEP)Berufsentwicklung am Beispiel OPAL (LEP)

50% Unis oder50% Unis oderForschungszentren,Forschungszentren,z.B. CERN z.B. CERN fellowsfellows

50% Industrie50% Industrie

H. Kolanoski, Urknall im Labor 3821. Sept. 2007 - Tage der Forschung

Das Gigantische schafft man mit Giganten …Das Gigantische schafft man mit Giganten …

H. Kolanoski, Urknall im Labor 3921. Sept. 2007 - Tage der Forschung