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Vortrag vor Journalisten 23. 1. 2007

Thomas MüllerInstitut für Experimentelle Kernphysik, Universität Karlruhe

Die Suche nach den fundamentalen Bausteinen der Natur

DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINEN DER NATUR

"Die Natur liebt sich zu verbergen" Heraklit, 500 v. Chr.

ZWEI FUNDAMENTALE FRAGEN :

WIE IST DAS UNIVERSUM ENTSTANDEN ?

WORAUS BESTEHT DIE MATERIE MIT IHREN KRÄFTEN ?

BEIDE FRAGEN SIND MITEINANDER VERKNÜPFT :

VERSTÄNDNIS VON DER STRUKTUR DER MATERIE UND IHRER KRÄFTE

<==> BESSERES WISSEN ÜBER IHREN URSPRUNG

FÜR DIE SUCHE NACH DIESEM VERSTÄNDNIS :

SCHAFFE ZUSTÄNDE WIE IN DEN ERSTEN ANFÄNGEN DES UNIVERSUMS

VOM UNIVERSUM ZUM QUARK

1026 m 107 m 101 m

10-4 m 10-15 m10-8 m

I. ZUR ENTSTEHUNG DES UNIVERSUMS

DIES BERUHT AUF DREI BEOBACHTUNGEN:

DAS UNIVERSUM IST VOR CA. 13 MILLIARDEN JAHREN IN EINEM URKNALL ENTSTANDEN ("BIG BANG")

ELEMENTHÄUFIGKEIT IM UNIVERSUM

1. BEOBACHTUNG:

PRIMORDIALE HÄUFIGKEIT DER ELEMENTE 75% H, 24% He, <1% Li, ...ELEMENTSYNTHESE IN DEN ERSTEN DREI MINUTEN

Messung der Zusammensetzung mit Spektralanalyse

ROTVERSCHIEBUNG FERNER GALAXIEN

2. BEOBACHTUNG:

DIE GALAXIEN ENTFERNEN SICH VON EINANDER (Hubble 1930)

JE GRÖSSER DIE ENTFERNUNG DESTO SCHNELLER

Kalzium

Hubble

HORNANTENNE DER BELL TELEPHONE LABORATORIES

3. BEOBACHTUNG:

KOSMISCHE HINTERGRUNDSTRAHLUNG (Penzias, Wilson 1956)2.7 K TEMPERATURSTRAHLUNG LICHTBLITZ DES URKNALLS

Körper mit Temperatur T [K] strahlen mit Frequenzverteilung ν

DIE ABKÜHLUNG DES UNIVERSUMS

Teilchenbeschleuniger

Radius 10-3m 1011m 1013m

II. DIE FUNDAMENTALEN TEILCHEN

Dalton 1803-1808Lehre von den Atomen als Grundbausteinen der Stoffe

Meyer/Mendelejev 1869-1871Periodensystem der Elemente107 Chemische Verbindungen 112 Atome

Rutherford (1871-1937)Atome: kompakter Kern mit Elektronenhülle

Bothe, Chadwick, Joliot (um 1932)Neutronen und Protonen im Kern112 Atome 3 Bausteine

Gell-Mann, Zweig (1964)Protonen, Neutronen, andere HadronenBestehen aus Quarks>100 Elementarteilchen 6 Quarks

UNTERSUCHUNG KLEINER STRUKTUREN MIT STREUUNG

Winkelverteilung der Projektile nach der Streuung:HINWEIS AUF INNERE STRUKTUREN

DAS EXPERIMENT VON GEIGER UND RUTHERFORD

STREUUNG VON ALPHA-TEILCHEN AN EINER GOLDFOLIE

BEOBACHTUNG:•ZUWEILEN WERDEN TEILCHEN STARK ABGELENKT•WINKELVERTEILUNG UNABHÄNGIG VON DER ENERGIE

ERKENNTNIS:•ATOME BESTEHEN AUS WINZIGEM GELADENEN KERN UND ELEKTRONENHÜLLE

α-Quelle

Leuchtschirm

Mikroskop

PRINZIP EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS

Beschleunigungsspannung U = 1Volt ⇒ kinetische Energie = 1eVBeschleunigungsspannung U = 1000Volt ⇒ kinetische Energie = 1keV

MODERNE ANFORDERUNGEN: 1012eV = 1 TeV

DIE BRAUNSCHE RÖHRE - +

SCHEMA EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS

INTERNATIONALE BESCHLEUNIGERLABORS

Karlsruher Beteiligung

DAS EXPERIMENT VON FRIEDMANN, KENDALL; TAYLOR....(1962)

STREUUNG VON HOCHENERGETISCHEN ELEKTRONEN AN WASSERSTOFF IN STANFORD (SLAC)

BEOBACHTUNG:•ZUWEILEN WERDEN ELEKTRONEN STARK ABGELENKT•WINKELVERTEILUNG UNABHÄNGIG VON DER ENERGIE

ERKENNTNIS: •STREUUNG AN PUNKTFÖRMIGEN QUARKS•PROTONEN BESTEHEN AUS 3 QUARKS: uud

17 GeV Elektronen

ERKENNTNISSE HEUTE

Valenzquarks

ERKENNTNIS: •STREUUNG AN PUNKTFÖRMIGEN QUARKS, R < 10-19 m•GENAUE STRUKTUR DES PROTONS

Tevatron,

Quarks

GRÖßENVERHÄLTNISSE

PROTONEN SIND 100000x KLEINER ALS ATOME (1911)

Atomkern : Atomhülle

= Knopf : Innenstadt

QUARKS, LEPTONEN SIND MIND. 10000x KLEINER ALS PROTONEN (1998)

Quark : Atomhülle

< Knopf : Erde

(Quark : Stecknadelkopf < Stecknadelkopf : Sonnensystem, usw)

DIE SICHTBARE WELT BESTEHT AUS QUARKS UND LEPTONEN DER ERSTEN GENERATION: u, d, e-, ν

IN DEN ERSTEN SEKUNDEN DES UNIVERSUMS GAB ES ABER NOCH WEITERE OBJEKTE, DIE LÄNGST ZERFALLEN SIND

DIESE KÖNNEN AN TEILCHENBESCHLEUNIGERN IN KLEINEN "URKNALLEN" AUS ENERGIE ERZEUGT WERDEN

ANWENDUNG: E = mc2 (Albert Einstein)

BAUSTEINE DER SICHTBAREN MATERIE

III. DIE FUNDAMENTALEN KRÄFTE

GRAVITATION:

NEWTON (1642-1727): GRAVITATIONSGESETZ

ELEKTRIZITÄT, MAGNETISMUS:

MAXWELL (1831-1879): VEREINIGUNG ELEKTROSTATIKUND MAGNETISMUS

HEINRICH HERTZ (1857-94): ENTDECKUNG DER ELEKTRO-MAGNETISCHEN WELLEN IN KARLSRUHE

DIE EXPERIMENTE VON HEINRICH HERTZ

ENTDECKUNG DER "ELEKTRODYNAMISCHEN" WELLE

ERKENNTNIS: • DIE ELEKTRISCHEN UND MAGNETISCHE KRÄFTE WERDEN DURCH

ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN ÜBERTRAGEN (PHOTONEN)

KRÄFTE ALS URSACHE ALLEN GESCHEHENS

ALLGEMEIN:

• KRÄFTE ENTSTEHEN DURCH AUSTAUSCH VON BOSONEN

• SCHEMATISCHE BESCHREIBUNG DURCH FEYNMANDIAGRAMME

DIE FUNDAMENTALEN NATURKRÄFTE

Gravitation Stärke : 10-38

Anziehung von Massen Reichweite: unendlich

Schwache Wechselwirkung Stärke : 1/100000Bewirkt den radioaktiven Zerfall Reichweite: sehr klein!

Elektromagnetische Wechselwirkung Stärke : 1/100Gleiche Ladungen stossen sich ab, Reichweite: unendlichungleiche ziehen sich anStarke Wechselwirkung Stärke : 1 Anziehende Kraft zwischen den Quarks Reichweite: ~10-15m

Entdeckung am CERN 1984

UNSER HEUTIGES WISSEN: DAS STANDARDMODELL

Sheldon Glashow

AbdusSalam

Higgs-Boson: verantwortlich für die Massen von Bosonen und Fermionen ?

IV. DIE SUCHE NACH DEM SCHWERSTEN TEILCHEN

FERMILAB TEVATRON COLLIDER

• z.Z. höchste Energien der Welt• Pro Sekunde 10000000 Kollisionen• 1 Top-Ereignis nur in 1010 Kollisionen !

BILD EINES KOLLISIONS-EREIGNISSES

DER CDF-DETEKTOR

Spurdetektor

Magnetspule

Hadronkalorimeter

Elektronkalorimeter

Myonkammern

Photon

Elektron

Quark Jet

Myon (hohe Energie)

(mittlere Energie)

(kleine Energie)

FUNKTION EINES TEILCHENDETEKTORS

DAS CDF TOP-QUARKSIGNAL (1995)

TOP-ANTITOP-EREIGNIS TOP-QUARK-SIGNAL

TOP-ANTITOP-PROZESS

DIE MASSEN DER QUARKS

V. ZUSAMMENFASSUNG

UNSER HEUTIGES WELTBILD KENNT

12 FUNDAMENTALE MATERIETEILCHEN: QUARKS UND LEPTONEN

4 FUNDAMENTALE KRÄFTE

Die Teilchen sind höchstens 10-19 m groß. Ob sie zusammengesetzt sind, ist nicht bekannt. Ich halte es für nicht naheliegend.

OFFENE FRAGEN:

WIE BEKOMMEN TEILCHEN IHRE MASSE ?

WIESO GIBT ES NUR MATERIE IM HEUTIGEN UNIVERSUM ?

WIE ERKLÄRT SICH DIE VIELFALT DER TEILCHEN UND KRÄFTE ?UND......

ÜBERRASCHUNG IM UNIVERSUM: DIE DUNKLE MATERIE

Kepler

Dunkle Materie

Dunkle Energie

Materie: 4%

Symmetrie zwischenFermionen ↔ Bosonen

(Materie) (Kraftteilchen)

DUNKLE MATERIE: SUPERSYMMETRISCHE TEILCHEN?

Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

DER LARGE HADRON COLLIDER

Proton-Proton-Kollisionen bei 14 TeVSchwerpunktsenergieUmfang 27 km

AtlasLHCB

DAS CMS-EXPERIMENT

EISENJOCH DES 4 TESLA-MAGNETEN

Hergestellt in der Werft Deggendorf

Gewicht: 12000 t

215 m2 Siliziumstreifendetektoren mit 10 Mio elektronischen Kanälen, ausgelesen mit 40 MHzKosten ca. 75 MSFr

Kollaboration:Ca. 2000 Physiker, IngenieureDavon aus KA ca. 35 140 Institute 35 Staaten Organisiert in CB, MB, FBDetektorkosten ca. 535 MSFr.

Zeiss-Messmaschine Mikrobondgerät

Intern. Vorbereitungstreffen

Probestation

Strahlhärtetests Bau der Großmodule am FZK Zyklotron „Petal” (102 Stück)

22% vom CMS-Tracker

DER BAU DES SPURDETEKTORS AM KIT

DATENMENGEN AM LHC

40 MHz ; 109 Ereignisse/s = 1 PetaByte/s

Online-Datenreduktion

Datenspeicherung100 Hz ~~1PetaByte/Jahr

(1,4 Millionen CD)

LÖSUNG: DAS GRID KIT: GridKa (Tier 1)

CampusGrid (Tier 2-3)

SIMULATIONSSTUDIE ZUM NACHWEIS EINES HIGGSBOSONS

ERWARTETES SIGNAL AM LHC

Der Prozeß

Simulation einesEreignisses

AUSBLICK

DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINEN DER NATUR IST PHILOSOPHISCHES ANLIEGEN SEIT MENSCHENGEDENKEN

WIE WIR DIE FRÜHEREN KULTUREN BEURTEILEN, WERDEN AUCH WIR SPÄTER AN UNSEREN ERKENNTNISSEN GEMESSEN WERDEN

UNSERE FORSCHUNG IST VERKNÜPFT MIT DER AUSBILDUNG UND DER SUCHE NACH ANWENDUNGEN IM TÄGLICHEN LEBEN

Diese Forschung wird in Deutschland großzügig gefördert durch das BMBF(Verbundforschung), die DFG, Länder, EU

EINE KARLSRUHER DIPLOMANDIN

WEITERE BILDER VOM BAU VON CMS

CENTRUM FÜR ELEMENTARTEILCHENPHYSIK UND ASTROTEILCHENPHYSIK

CDF CMS

THEORIEAMSGRID

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