Die Zukunft der Teilchenphysik Ziele und … · Teilchenphysik und Kosmologie Verständnis der...
Transcript of Die Zukunft der Teilchenphysik Ziele und … · Teilchenphysik und Kosmologie Verständnis der...
11
Die Zukunft der Teilchenphysik
Ziele und technologischeHerausforderungen
Prof. Dr. Michael FeindtProf. Dr. Günter QuastInstitut für Experimentelle KernphysikUniversität Karlsruhe
22
Die Zukunft der Teilchenphysik
Ziele und technologischeHerausforderungen
Prof. Dr. Michael FeindtProf. Dr. Günter QuastInstitut für Experimentelle KernphysikUniversität Karlsruhe
33
Elementarteilchenphysikbeschäftigt sich mit den kleinsten Strukturen im Universum
Die Weltim Kleinen
m1km 0,001 m 01 0
Rosen
1414
Die Weltim Kleinen
Atomebestehen aus
Kern und Elektronenhülle
m 1 000 000 000 0.nm 0.1
m 01 -10
1515
Die Weltim Kleinen
Atome sindfast leer,der Kern
ist sehr klein
m 01 000 000 000 0.pm 10
m 01 -11
1616
Die Weltim Kleinen
Atome sindfast leer,der Kern
ist sehr klein
m 001 000 000 000 0.pm 1
m 01 -12
1717
Die Weltim Kleinen
Radius des Kerns nur
ca. 1/10.000 der innersten
Elektronenbahn
m 1 000 000 000 000 0.fm 100
m 01 -13
1818
Die Weltim Kleinen
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen
m 01 000 000 000 000 0.fm 10
m 01 -14
2222
Die Weltim Kleinen
PunktförmigeQuarks und Leptonen
m 001 000 000 000 000 000 0.fm 0.001
m 01 -18
2323
Die Weltim Kleinen
Quarks undLeptonenwirklichgar keine
Ausdehnung?
??
m 1 000 000 000 000 000 000 0.fm 1 0.000 m 01 -19
2424
Teilchenphysik und Kosmologie
Verständnis der Elementarteilchenphysik ist entscheidend für dasVerständnis des sehr frühen Universums.
Je höher die Energie, desto näher kommen wir an den Urknall heran.
Jetzt sind wir bei ca. 0 , 000 000 000 001 Sekunden.
2626
Der Stand der Dinge
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
1Heutiger Stand
Einfaches „Baukastenprinzip“zum Aufbau der
bekannten Materie
2828
Heutiger Stand (2)Einheitliches Prinzip zur Beschreibung von „Kräften“: Austauschteilchen
Nur vier Grundkräfte
Gravitation entzieht sich dereinheitlichen Beschreibung !
2929
Gegenwart und nahe Zukunft:
Nahe Vergangenheit:LEP: e+e- Collider bei hohen Energien (90-200 GeV)
Gegenwart und nahe Zukunft: HERA: Elektron-Proton-Collider zur Erforschung der Struktur des Protons B-Fabriken: asymmetrische Niederenergie e+e- Collider) (10 GeV) Tevatron: Proton-Antiproton-Collider bei höchsten Energien (2000 GeV)
Fernere Zukunft: Large Hadron Collider LHC (ab 2007)Elektronen-Linearbeschleuniger
3030
Elektron-Elektron-PositronPositron-Kollisionen-KollisionenSymmetrische Kollisionen bei hohen Energien (z.B. LEP).
Sehr saubere Ereignisse,weil Elektronenpunktförmig sind.
Messungen bei LEP haben das Standardmodell mit sehrhoher Präzision bestätigt.KEK
Fermilab
SLACCERN
DESYCornell
3232
Das CERN in GenfDas CERN in Genf::gegründet 1957
ca. 3000 Angestellte (davon 4 Nobelpreisträger) und 6000 Gäste(incl. Nobelpreisträger) aus 500 Instituten der ganzen Welt
Jahresbudget ca. 1.000.000.000 CHF
(Jeder deutsche Bürger: ca. 2 Euro / Jahr)
Stromverbrauch ca. 1.000.000 MWh/ Jahr
LEP: 7 Jahre Bau und 12 Jahre Operation ( 1989 - 2001 )
Zukunftsprojekt LHC im LEP Tunnel, Betrieb ab ca. 2007
3333
BlickBlick in denin den Tunnel:Tunnel:27 km27 km
Magnete undMagnete undBeschleunigungsstreckenBeschleunigungsstrecken
Im Strahlrohr:Vakuum besser als im interstellaren Raum
3434
SupraleitendeSupraleitendeBeschleunigungsstreckeBeschleunigungsstrecke
für LEP IIfür LEP II
Supraleitung: extreme Kühlung notwendig:nur knapp über dem absoluten Nullpunkt(kälter als die kosmische Hintergrundstrahlung)
4040
Offene Fragen
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
1Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends:
• Ursprung der Massen der Elementarteilchen ?• Vereinigung aller fundamentalen Kräfte in einer Universalwechselwirkung ?• Unbekannte Formen von Materie ? z.B. supersymmetrische Materie „dunkle Materie“
• Natur der „dunklen Energie“ ?• Verborgene räumliche Dimensionen ?
??? ??
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends:
• Ursprung der Massen der Elementarteilchen ?• Vereinigung aller fundamentalen Kräfte in einer Universalwechselwirkung ?• Unbekannte Formen von Materie ? z.B. supersymmetrische Materie „dunkle Materie“
• Natur der „dunklen Energie“ ?• Verborgene räumliche Dimensionen ?
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Higgs-Mechanismus zur Massenerzeugung ?
Party-Gäste im „Grundzustand“
Higgs-Feld
(Ge-)Wichtige Persönlichkeit betritt den Raum
Wechselwirkungmit dem „Higgs-Feld“ =>> Masse
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Higgs-Mechanismus (2)
Ein Gerücht breitet sich im Raum aus
„Higgs“ wechselwirkt mit sich selbst !
Higgs hat selbst Masse !
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Vereinheitlichung der KräfteBei kleinen Abständen werden die Kräfte immerähnlicher.
Gibt es ein„supersymmetrische“ Spiegelwelt ?
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Dunkle Materie & Dunkle EnergieNeueste Astrophysikalische Beobachtungen:• 70 % der Energiedichte des Universums sind „dunkle Energie“• nur 4% der Energiedichte von uns bekannter Materie• Rest ist „Dunkle Materie“
Was ist die Natur der „Dunklen Energie“ ? Was ist die „Dunkle Materie“ ?
4141
Proton-Proton-AntiprotonAntiproton-Kollisionen-Kollisionen
Mit Protonen sind höhere Energien als mit Elektronen erreichbar(LEP II: 200 GeV ==> Tevatron: 2000 GeV, LHC 14000 GeV)Preis für hohe Energie: (weil Protonen zusammengesetzte Objekte sind): --- Ereignisse sind viel komplizierter (mehr Spuren) --- meist steht nur kleiner Teil der Energie für interessante Physik zur Verfügung Protonenbeschleuniger sind hauptsächlich ,,Entdeckungsmaschinen“,Elektronenbeschleuniger ,,Präzisionsmessungsmaschinen‘‘.
4242
Der pp-Der pp-Collider TevatronCollider Tevatron
Main Ringund Tevatron
Neuer MainInjector
Fixed-TargetExperimente
CDFD0
Hauptgebäude
Fermi National Accelerator Laboratoryin Batavia nahe ChicagoFermiFermi National National Accelerator LaboratoryAccelerator Laboratoryin in Batavia Batavia nahe Chicagonahe Chicago
Weltrekord in Energie:2 TeV = 2000 GeV
KEK
SLAC
DESY
CERN
Cornell
Fermilab
•Top-Quark-Physik•b-Quark-Physik•Starke WW•Suche nach neuen Phänomenen
4444
...
...
Hadronen-Therapie für ansonsten unbehandelbare Tumore
Das World Wide Web
Grid-Computing
NeuroBayes - Neuronale Bayes‘sche Statistik für die Wirtschaft
...
...
Spin-Offs die ,,Teflon-Pfannen‘‘ der Teilchenphysik
4545
Entwicklung vom CERNinitiiert(Prof. Ugo Amaldi)
Übliche Strahlentherapiezerstört nicht nur den Tumor,sondern auch das Gewebedavor und dahinter.
Hadronen-Strahlung kannauch in der Tiefe sehr genaulokalisiert werden.
Hadronen-Therapie
4646
Entwicklung amCERN (http-Protokoll)
Technisches Problem:Kommunikation in großeninternationalenKollaborationen
Innerhalb von 10 Jahren:Weltweiter Siegeszug.Heute fast in jedemHaushalt vorhanden
Das World Wide Web
5454
Datenanalyse und statistische Methoden
Optimiert durch weltweiten Wettbewerb,aus den begrenzten und teuren Daten möglichst viele neue physikalische Erkenntnissezu extrahieren.
5555
Neuronale Netzwerke
Neuronale Netzwerke:Selbstlernende Computerverfahren, der Natur nachempfunden
Parietal CortexFrontal Lobe
Motor Cortex
Temporal Lobe
Brain Stem
Occipital Lobe
Cerebellum
5656
NeuroBayes
Die Information(das Wissen, die Expertise)steckt in den Verbindungenzwischen den Nervenzellen
Komplexe selbstlernendeExpertensysteme.
Können aufgrund vonhistorischen oder simuliertenDaten Wahrscheinlichkeitenfür Zukunftsprognosen
5757
Erfolg
Diese ,,künstliche Intelligenz“ kann viele komplizierte
Zusammenhänge besser erkennen als z.B. ihre Autoren
selbst. Wenn sie erstmal gefunden sind, sind sie oft auch
für den Menschen verständlich und nachvollziehbar.
Sehr erfolgreiche Anwendungen in der Physik.
Viele Millionen gespart.
Viele Analysen erst ermöglicht.
5959
Anwendungen von NeuroBayes in derWirtschaft
> Industrielle Forschung z.B. Qualitätsklassifizierung, Fertigungskontrolle> Medizin- und Pharma-Forschung z.B. Wirkungen, Nebenwirkungen, Wechselwirkungen von Medikamenten> Banken z.B. Kredit-Scoring (Basel II), Bewertung von Derivaten> Versicherungen z.B. Risikovorhersage, Kündigungswahrscheinlichkeit
Voraussetzung:es müssen (historische oder simulierte) Daten vorhanden sein.
6060
TechnologietransferAnwendungen von NeuroBayesin der Wirtschaft
Ausgründung aus der Universität Karlsruhe( -seed Programm des BMBF):
IT-Portal KarlsruheHaid- und Neustraße
6161
Die Zukunft der Teilchenphysik
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Die großen Zukunftsprojekte:
DerDer Large Hadron Large Hadron ColliderCollider LHC LHC und einund ein
ElektronElektron-Positron--Positron-LinearbeschleunigerLinearbeschleuniger
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Die großen Zukunftsprojekte:
DerDer Large Hadron Large Hadron ColliderCollider LHC LHC und einund ein
ElektronElektron-Positron--Positron-LinearbeschleunigerLinearbeschleuniger
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
1. Large Hadron Collider (LHC) am CERN (ab 2007) die „Entdeckungsmaschine“
2. Elektron-Positron- Linearbeschleuniger die „Präzisionsmaschine“
Bis dahin: - Tevatron am FNAL - Hera II am DESY - B-Fabriken am SLAC und bei KEK - Neutrino-Strahlen am KEK, Fermilab u. CERN im Bau - einige kleinere Beschleunigeranlagen für spezielle Fragestellungen
Neue Beschleuniger zur Beantwortung der offenen Fragen:
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Der Large Hadron Collider (LHC)
Vier geplante Experimente:
• ATLAS (pp-Physik)
• ALICE (Pb-Pb-Kollisionen)
• CMS (pp-Physik)
• LHC-B (Physik der b-Quarks)
• Proton-Proton-Beschleuniger im LEP- Tunnel am CERN• 14 TeV pro Kollision, d.h Bedingungen wie zu Zeiten10-13 -10-14 s nach dem Urknall
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
LHC – Parameter
~1600 geladene Teilchen im Detektor Hohe Teilchendichten sind eine Herausforderung für die Detektoren
• 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
• Luminosität: 1034 cm-2s-1 Design, 0.2×1034 cm-2s-1 anfänglich
• 23 Ereignisse im Detektor überlagert
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Wichtige Komponenten des Beschleunigers
• 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
• 8 Supraleitende Beschleunigungsstrukturen Beschleunigungsfeld von 5 MV/m
Tests einer vollen LHC-Zelle erfolgreich durchgeführt !
LHC als größte supraleitende Anlage ist Herausforderung für die Kryo-Technik !
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
LHC – erstaunliche Zahlen
• Gesamtenergie in Protonenstrahlen ...
E = 2 * 7 TeV * 2835 * 1,1 *1011 = 4,3659 * 1015 TeV = 7 * 108 J (40 t mit v = 187 m/s = 673 km/h)
... Bewegungsenergie eines Lastwagens mit der Geschwindigkeit eines Jumbo-Jets!
• Kühlung:
12 Millionen Liter flüssigen Stickstoff um 31 000 Tonnen Material abzukühlen
700 000 Liter flüssiges Helium zum Kühlen
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
pp-Kollision bei LHC
Proton
Proton
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Zwiebelschalenstruktur eines Detektors
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Teilchenspuren im Detektor
Selektive Rekonstruktion
Tausende von Teilchenspuren in jedem Ereignis
Manchmal gibt es einpaar interessante ... z.B. Higgs: eines in 1011 Kollisionen
Herausforderung für Detektorbau, Experimentiertechnik und Datenanalyse !
„Interessante Physik“ passiert sehr selten, Analyse bedeutet „Suche nach der Nadel im Heuhaufen“!
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Ereignis- und Daten-Raten bei LHC
• Detektoren haben einige 107 Kanäle
• LHC Kollisionsrate: 40 MHz
• 10-12 bit/Kanal ~1000 Tbyte/s Rohdatenrate !
• Nullunterdrückung und „Trigger“ reduzieren Datenrate auf „nur“ (einige) 100 Mbyte/s
Level 1 - HardwareLevel 2 – Online Farm
40 MHz 40 MHz (1000 TB/sec)
(1000 TB/sec) ääquivalentquivalent
Level 3 – Online Farm 100 Hz (100 MB/sec
100 Hz (100 MB/sec
7575 Khz Khz (75 G (75 GB/sec
B/sec komplett digitalisiert
komplett digitalisiert))
55 Khz Khz (5 GB/sec)
(5 GB/sec)
(Wenn 6 Milliarden Menschen gleichzeitigtelefonieren, sind das (nur) 50 TB/sec )
Dieser Datenstrom muss weltweit verteilt werden !
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Teilchenphysik ist international267 Institute in Europa, 4600 Benutzer208 Institute anderswo, 1600Benutzer
Karlsruhe
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Das „World-Wide-Grid“ zur Analyse der LHC-Daten (Bsp. CMS)
Datenanalyse auf einemvirtuellen Supercomputer ...
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Der CMS-Detektor
E Einiges ist bereits Realität ...
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Bsp.: Die Suche nach dem Higgs mit CMS
H
•H → Z Z → 4µ•H → γγ
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 !
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Elektron-Positron LinearbeschleunigerAlternative Strategie: Präzisionsmessungenstatt höchstmöglicher Energiee+e- Collider ideal für genaueste Messungen:• Punktförmige Teilchen
• Nur elektroschwache Wechselwirkung im Anfangszustand
• Schwerpunktsenergie genau einstellbar
• Vollständige Ereignis- rekonstruktion
TESLA (in Hamburg?)
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Ziele eines LinearColliders
• Blick in den 1-10 TeV-Bereich und zu den höchsten Energien:• * Vereinigung der Kräfte• * Gravitation
Das Tesla-Konzept:
Gesamtlänge entspricht der des LEP-Tunnels
supraleitender Linearbeschleuniger
• Energie: mindestens 2×Mtop bis 400 GeV, ausbaubar bis 1000 GeV• Luminosität: Reaktionsraten typisch 1/Ecm
2
=> benötigt tausendfache LEP-Luminosität!• Variable Schwerpunktsenergie
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
PhysikpotenzialAuch wenn ein Higgs am LHCgefunden wird, bleiben Fragen: • Ist es das SM-Higgs ?• Ist es verantwortlich für Masse?• Ist spontante Symmetriebrechung die Ursache ?Messung der Higgs-Kopplungen an alle Teilchen und an sich selbst !
Higgs- Ereignis im Linear-Collider-Detector
Präzise Spektroskopie aller SuSy-Teilchen bis 1TeV Masse
Energieabhängigkeit der Kopplungs- konstanten: der Weg zur Großen Vereinheitlichung Effekte von Quantengravitation, d.h. Graviton-Abstrahlung, wenn es große extra Raumdimensionen gibt
Günter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut für experimentelle Kernphysik
Zur Lektüre empfohlen:
http://www.dpg-fachgremien.de/t/ket/ketStudie/ketStudie.html
Broschüre der deutschen Teilchenphysiker zu Stand und Zukunft des Gebiets
Nov. 2002
6262
AMS-Experiment auf Internationaler RaumstationISS: (Start 2005)
Suche nachAntimaterieim Weltraum
Suche nachSupersymmetrie
Teilchenphysik-Experimente in Space
6363
Ausblick
> Stay tuned... Antworten auf spannende Fragen:
Gibt es das Higgs-Teilchen wirklich?Geht dunkle Materie zuerst den Astrophysikern oder uns ins Netz?Gibt es eine supersymmetrische Spiegelwelt?Gibt es noch weitere Raumdimensionen?...
Riesige technologische Herausforderungen stehen vor uns!
Mit Mut und Optimismus und gutem und engagiertem Nachwuchskönnen wir es schaffen!