European Masterclasses 2007European Masterclasses 2007

TeilchenbeschleunigerTeilchenbeschleuniger & &

DetektorenDetektoren

Mikroskopische Schwarze LöcherMikroskopische Schwarze Löcher

Zentrale Aussagen:

- Arbeitshypothese: es gibt mikroskopisch kleine schwarze Löcher mit der Masse von ≈ 1 TeV = 1000 Protonenmassen

- sie werden etwa bei jeder 1,000,000,000sten Kollision zweier Protonen erzeugt (wenn Protonen genug Energie besitzen)

- sie zerfallen (u.a.) unmittelbar nach ihrer Erzeugung in “hochenergetische” Elektronen und Photonen

Gibt es diese Objekte? (Wie) kann man diese Idee überprüfen?

Beschleuniger (1)Beschleuniger (1)

Erster Schritt: Produzieren des schwarzen Loches:

Wir benötigen die Energie von 1000 Protonenmassen!Einfach: man nimmt 1000 Protonen und schiesst sie gegen eine Wand?Besser: man nimmt zwei PKWs (> 1029 Protonen) und lässt sie gegeneinander fahren?(oder ein PKW gegen eine Wand?)

Beschleuniger (2)Beschleuniger (2)

•Wir brauchen hohe Energiedichten, die ganze Energie in einem Punkt konzentriert!•Deshalb müssen wir Elementarteilchen beschleunigen!

•Mehrere Kandidaten:

•- Neutronen, Photonen – sind neutral, lassen sich nicht beschleunigen,

•- (Anti-)Elektronen – gut, sind aber sehr leicht,

•- (Anti-)Muonen – gut, schwerer als Elektronen, zerfallen aber,

•- (Anti-)Protonen – gut, sind schwer, aber zusammengesetzte Teilchen.

•Damit ein Proton sein Tausendfaches wiegt, muss man es auf 0.999999-fache Lichtgeschwindigkeit beschleunigen.•CERN produziert “Antimaterie” (Positronen, Antiprotonen, Antiwasserstoff)•jedoch nur sehr wenig – viel, viel weniger als ein Gramm!

Beschleuniger (3)Beschleuniger (3)

Zwei Arten von Beschleunigern: Linearbeschleuniger und Ringbeschleuniger.

Ringbeschleuniger: Beispiel LEP/LHC. Vorteil: ringförmig :-)Nachteil: “Synchrotronstrahlung” (Teilchen müssen immer “zur Mitte” beschleunigt werden) = eine Funktion der Geschwindigkeit (γ4/r2).Protonen!

Linearbeschleuniger: Beispiel ILC. Vorteil: keine Synchrotronstrahlung!Elektronen!

LHCLHCLHC

LHC (2)LHC (2)

LinearbeschleunigerLinearbeschleunigerILC

Der LHC in ZahlenDer LHC in ZahlenUmfang: ca. 30 km

Geschwindigkeit: fast Lichtgeschwindigkeit (300,000 km/s)

Anzahl der Umläufe eines Protons pro Sekunde: ca 10,000

Beginn des Designs: 1984

Geplanter Start: November 2007 (Mitte 2008 bei voller Energie)

Leistung: 120 MW

Temperatur der supraleitenden Magneten: 1.9K (kälter als das Weltall).

2ter Schritt:2ter Schritt: Nachweis der Teilchen Nachweis der Teilchen

Wir brauchen: eine Apparatur, die von möglichst allen stabilen Teilchen- die Art der Teilchen,- ihre Impulse,- ihre Ladung- und Energiemisst.

KameraKamera

Im innersten Teil eines solchen Detektors verwenden wir meist eine Art “Digitalkamera”:

Chip einerDigitalkamera

CMS TrackerCMS Tracker

Von den Signalen, die eine geladene Spur im “Tracker” hinterlässt, kann man auf die Spur “zurückrechnen”.

KalorimeterKalorimeter... Kristalle (Szintillatoren) zum Messen der Energie ...

KalorimeterKalorimeter

... für Elektronen und Photonen ...(“elektromagnetisches Kalorimeter”)

KalorimeterKalorimeter... so wie für Hadronen und hadronische Jets (“Quarks”)

MagnetfeldMagnetfeld... und ein Magnetfeld, in dem sich die Teilchenbahnen krümmen, und dadurchihr Impuls messbar wird!

Und dann noch einen “Tracker”, der Muonspuren aufzeichnet!

Fertig ist der Detektor!Fertig ist der Detektor!

Fertig ist der Detektor!Fertig ist der Detektor!

“unser” schwarzes Loch (simuliert)

DatenmengenDatenmengen

Ein bisschen Rechnen:

wir würden ein schwarzes Loch bei jeder milliardsten Kollision produzieren.Wir wollen aber viele schwarze Löcher (wenn es sie gibt), um gute statistische Aussagen machen zu können.

Bei LHC kollidieren 20-25 Protonen gleichzeitig, und das 40 Millionen mal pro Sekunde. Das ergäbe also ein schwarzes Loch pro Sekunde, oder 10 Tage um 1 Million schwarze Löcher zu produzieren.

Aber: jedes Ereignis, jedes “Bild” braucht (“roh”) ca. 25 MB.25 MB * 40,000,000 s-1 = 1000 Terabyte (1 Million Gigabyte) pro Sekunde!Wir müssen also komprimieren, filtern und die Daten auf viele Rechner verteilen!

Filter Farm und das GridFilter Farm und das Grid

Ein paar tausend Linux-Computer filtern die Ereignisse, bis nur noch 100-200 MB/s (pro Experiment!) übrig bleiben. Diese Ereignisse werden über das “Grid” weltweit verteilt, und den Physikern verfügbar gemacht.

AnalyseAnalyseDie (gefilterten) Daten von den beiden grossen Experimenten CMS und ATLAS zusammen machen ungefähr 400 MB/s aus. Auf eine CD passen etwa 600 MB.Ein Jahr besteht aus ungefähr 30 Millionen Sekunden.

Danach stehen die Daten auf vielen Rechenzentren weltweit den Physikern zur Verfügung, die dann nach dem Higgs, nach mikroskopischen schwarzen Löchern, oder nach “dunkler Materie” suchen können (geschätzte 96% der Energie und Materie des Universums sind uns noch unbekannter Natur!)

Dabei gehen sie ähnlich vor wie ihr am Nachmittag in den Űbungen.

ENDE