Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 1 Die großen...
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Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
1
Die großen Zukunftsprojekte:
Der Large Hadron Collider (LHC) und ein
Elektron-Positron-Linearbeschleuniger
Prof. Dr. G. QuastInstitut für experimentelle KernphysikUniversität Karlsruhe (TH)
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
2Was wir schon wissen ...
Der Teichenbaukasten ist komplett !
?
Drei der vier fundamentalen Wechsel- wirkungen sind gut verstanden !
... und was auf jeden Fall noch fehlt ??? →
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
3Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends:
Ursprung der Massen der Elementarteilchen ?
Gibt es den Higgs-Mechanismus, und wie funktioniert er ?
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
4Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends:
Vereinigung aller fundamentalen Kräfte in einer Universalwechselwirkung ?
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
5Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends:
Unbekannte Formen von Materie ? z.B. supersymmetrische Materie als „dunkle Materie“
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
6Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends:
Was ist dunkle Energie ?
70% des Universums scheinen daraus zu bestehen !
Hochauflösende Messung der kosmischen Mikrowellen- Hintergrundstrahlung mit dem WMAP-Satelliten
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
7Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends:
Verborgene räumliche Dimensionen ?
Ist unser Raum auch bei Abständen von 10-19 m noch dreidimensional?
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
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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, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
9Der 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, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
10LHC – 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, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
11Wichtige 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
LHC als größte supraleitende Anlage ist Herausforderung für die Kryo-Technik !
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
12pp-Kollision bei LHC
Proton
Proton
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
13Zwiebelschalenstruktur eines Detektors
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
14Teilchenspuren im Detektor
Selektive Rekonstruktion
Tausende von Teilchenspuren in jedem Ereignis
Manchmal gibt es ein paar 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, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
15Ereignis- 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/s1
Level 1 - HardwareLevel 2 – Online Farm
40 MHz 40 MHz (1000 TB/sec) äquivalent
(1000 TB/sec) äquivalentLevel 3 – Online Farm
100 Hz (100 MB/sec
100 Hz (100 MB/sec
75 Khz (75 G
75 Khz (75 GB/sec komplett digitalisiert)
B/sec komplett digitalisiert)
5 Khz (5 GB/sec)
5 Khz (5 GB/sec)
(Wenn 6 Milliarden Menschen gleichzeitig telefonieren, sind das (nur) 50 TB/sec )
Dieser Datenstrom muss weltweit verteilt werden !
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
16Teilchenphysik ist international
267 Institute in Europa, 4600 Physiker208 Institute anderswo, 1600Physiker sind an CERN-Projekten beteiligt.
Grid-Computing verbindet die weltweiten Ressourcen der Teilchenphysiker
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
17Das „World-Wide-Grid“ zur Analyse der LHC-Daten (Bsp. CMS)
Datenanalyse auf einemvirtuellen Supercomputer ...
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
18GridKa am Forschungszentrum Karlsruhe
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
19Der CMS-Detektor
E Einiges ist bereits Realität ...
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
20Der Silizium-Spurdetektor
Qualitätskontrolle von 25% aller Sensoren Qualifizierung der Sensoren bzgl. Strahlungshärte Bonden, Testen von 1600 Modulen Montage von 50 Petals Montage einer Endkappe
5.4m
Karlsruher Verantwortung:
215 m2 Siliziumstreifendetektoren mit 10 Mio elektronischen Kanälen
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
21Simulierte Ereignisse im Detektor
Die geraden roten Linien stammen von einem simulierten Higgs-Boson mit 120 GeV Masse
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
22Bsp.: Die Suche nach dem Higgs mit CMS
H
•H Z Z μ•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, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
23Elektron-Positron
Linearbeschleuniger Alternative Strategie: Präzisionsmessungenstatt höchstmöglicher Energie
e+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, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
24Zusammenfassung und Ausblick
Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
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Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik
26Zur Lektüre empfohlen:
http://www.dpg-fachgremien.de/t/ket/ketStudie/ketStudie.html
Broschüre der deutschen Teilchenphysiker zu Stand und Zukunft des Gebiets
Nov. 2002