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(Teilchen-)PHYSIK Studium, Stand der Dinge, Forschung und Forschungsorganisation Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg ([email protected]) Willstätter-Gymnasium 24. November 2003

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(Teilchen-)PHYSIKStudium, Stand der Dinge, Forschung und Forschungsorganisation

Thomas Schörner-SadeniusUniversität Hamburg ([email protected])

Willstätter-Gymnasium24. November 2003

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WG, 24/11/2003 TSS: Physik 2

Idee

Ich erzähle mehr oder weniger strukturiert über das Physikstudium, den Stand der Forschung in der Teilchenphysik und die Organisation der Forschung.

Dabei warte ich auf Eure Fragen, Unter-brechungen und Kommentare.

Bitte bremst mich, wenn ich Euch langweile, in Slang verfalle oder zu sehr abhebe. Es ist immer schwierig, die Interessen der Zuhörer einzuschätzen.

Ich kann sicher nicht alle Fragen beantworten, aber vieles kann im Gespräch klären – Verstehen ist ein Prozess, der von der Diskussion lebt.

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ÜbersichtReihenfolge frei veränderbar!

Das Physik-StudiumGliederung, Veranstaltungen, Diplom- und Doktorarbeit

Hochenergiephysik heuteWas haben wir gelernt? Wo stehen wir?

Die Forschungszentren DESY und CERNVergangenheit, Gegenwart und Zukunft

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Das Physik-Studium ISemesterorganisation

Semester

Veranstaltungen

0 Mathematischer Vorbereitungskurs

1 Physik I + Ü, Math. Ergänzung, Mathe I + Ü, Nebenfach

2 Physik II + Ü, Math. Ergänzung, Mathe II + Ü, Nebenfach

3 Physik II + Ü, Mathe III + Ü, Theo. Mechanik + Ü, Nebenfach

4 Struktur d. Materie + Ü, Mathe IV + Ü, Theo. E-Dynamik + Ü, Nebenfach

5 Kern/Festkörper/Teilchenphysik I + Ü, QM I + Ü

6 Kern/Festkörper/Teilchenphysik II + Ü, Statistische Physik + Ü

7 Spezialvorlesungen, Seminare,

8 Spezialvorlesungen, Seminare

9 Diplomarbeit

10 Diplomarbeit

Dazu Numerik, angewandte Physik, Spezialveranstaltungen, Praktika.

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Das Physik-Studium IIAbschnitte Grundstudium: Inhalt vorgegeben.

Experimentelle Physik-Vorlesungen: Wiederholung des Schulstoffs, Ausweitung und Vertiefung. Anforderung: 2 von 3 Scheinen (Übungsblätter, Vorrechnen, Klausuren).

Mathematik: Grundsätzlich neu, sehr anspruchsvoll, man braucht 2 von 4 Scheinen.

Theoretische Physik (Grund- und Hauptstudium): schwer, Gewöhnungssache.

Praktika Hauptstudium: Wahlfreiheit, Schwerpunktsetzung

Vertiefungsveranstaltungen: E-Teilchen, Kernphysik, Festkörperphysik, weitere theoretische Vorlesungen

Seminare und Vorlesungen zu Spezialthemen Diplomarbeit

Thema gut überlegen – Wechsel danach schwierig.

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Veranstaltungen Vorlesungen:

In schlechten Fällen ist ein gutes Buch besser. Sonst (und wenn beim Prüfer gehört) wichtig. Zunehmende Evaluierung verbessert Qualität. Bei Pflichtveranstaltungen Klausuren Schein.

Übungen Vertiefung des Stoffs. Möglichkeit zu Fragen; Verstehen geht über diskutieren. Hausaufgaben und Vorrechnen Schein.

Seminare Leben vom Engagement der Studenten. Oft kleine Veranstaltungen mit speziellen Themen, die

nur eine Handvoll Leute interessieren. Spezielle Diplomanden- und Doktoranden-Seminare.

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Diplom- und Doktorarbeit Diplomarbeit

12 Monate Mitarbeit in einer Forschungsgruppe mit Bearbeitung eines eng umrissenen Themas.

Wissenschaftlicher Output ist keine Voraussetzung. Bei weiterer Karriere in Industrie kann Fachgebiet

vorentscheidend sein. In Bezug auf Karriere in Forschung freiere Wahl.

Doktorarbeit Muß eigenständiges wissenschaftliches Resultat ergeben

(schwankt von Fachgebiet zu Fachgebiet). Dauer auf 3 Jahre beschränkt; meist genügend Zeit und

Raum für Seitenblicke. Teilchenphysik: Oft 1 Jahr Servicearbeit f. das Experiment

(Hardware), dann 2 Jahre Zeit f. eine Datenanalyse. Wert im Hinblick auf (außeruniversitären) Arbeitsmarkt?

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Studium: Physik und generell Im Gegensatz zur Schule wenig Vorgaben und

Zwang Freiere Zeiteinteilung (in den meisten Fächern) Freiere Arbeitsgestaltung (Einzelkämpfer versus

Gruppenarbeit)höhere Eigenverantwortung für manche ein Problem!

Speziell Physik (gilt sicher auch für viele – aber eben nicht alle – anderen Fächer): Bis zum Vordiplom (4. Semester) haben gut 30% der

Anfänger das Handtuch geschmissen. Ohne intrinsische Motivation, ohne das Interesse an der

Physik hält man nicht durch. Persönliche Erfahrung: Oft Grenze der eigenen Fähigkeiten

bemerkt (Mathe, theoretische Physik); aber es ist ein tolles Gefühl, nach einer Woche Stagnation eine Aufgabe doch noch zu lösen (Bedeutung der Gruppenarbeit und Diskussion!)

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Das Physik-Studium

Hochenergiephysik heute Das Standard-Modell (SM) Erkenntnisse der letzten 10 Jahre Probleme des SM und mögliche Lösungen

Die Forschungszentren DESY und CERN

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Hochenergiephysik: StatusUnser heutiges Wissen – das Standard-Modell (SM)

Es gibt 3 Generationen oder Familien ! Materie- und Botenteilchen: Fermionen und Bosonen W±, Z, durch Symmetriebrechung und Higgs-

Mechanismus aus W±,0, B0 (elektroschwache Theorie). SM = lokale Eichtheorie aus starker WW (QCD) ,

schwacher WW und QED; Gruppe SU(3)cSU(2)U(1). Higgs: das ~einzige Rätsel des SM. Higgs verleiht Masse.

e-

-

-

e

d

s

b

u

t

c

Leptonen Baryonen

Fermionen Bosonen

Z,W±

g

QCD

QED

SchwacheWW

Higgs???

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Ergebnisse der letzten 10 JahreLEP: elektroschwache WW (W,Z in den 80ern gefunden).Es gibt drei Generationen!Anzahl der Ereignisse als Funktionder Schwerpunktsenergie zusammenmit Vorhersage (e+e- Z +-).

Vorhersagen von mt, mH!Für top-Quark sehr exakt.

e+

e-

Z

e+

e-Z

f

ft,H

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Ergebnisse der letzten 10 JahreQCD: Top-Quark, Protonstruktur (Gluon ~1980 bei Petra)

Entdeckung des Top-Quarks!Mit den Experimenten D0 und CDFam Tevatron des Fermi-Lab (USA).

Struktur des Protons!HERA: Der einzige ep-Collider!

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Oszillationen Masse!

Vor allem Super-Kamiokande: Ein grosser Bottich schweren Wassers kann Neutrinos nachweisen und zwischen z.B. e und unterscheiden. Zusammen mit Sonnenmodellen oder Modellen der Atmosphäre kann man Oszillationen feststellen.

Implikationen für Kosmologie?

Ausserdem Entdeckung des Tau- Neutrinos!

Ergebnisse der letzten 10 JahreNeutrinos: Entdeckung Tau-Neutrino, Neutrino-Masse

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… und alles scheint zu passen!Das Standard-Modell beschreibt (fast) alles!

Probleme? Leichte Diskrepanz in verschiedenen Messungen des Parameters AFB

b. Manchmal etwas grosse Streuung verschiedener Messungen eines Parameters.

Bedeutung? Signifikanz?Hinweis auf neue Kopplungen anB-Quarks? Zufall?

Eigentlich langweilig …Bis auf kleine Aufregungen … Aleph hat ein paarmal das Higgs gefunden … HERA hatte Leptoquarks gefunden … … aber …

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Probleme des SM… es muss mehr dahinter stecken!

Freie Parameter: 26!!!!! Massen, Kopplungen, Mischungswinkel … Sollten im Rahmen einer fundamentaleren Theorie erklärt werden.

Warum drei Kräfte? Vereinheitlichung? 1960: Elektrische, magnetische, schwache und starke WW 1980: Elektromagnetische (Maxwell), schwache und starke WW 2000: Elektroschwache (Glashow, Salam) und starke WW 2020: Grand Unified Theory (?????) Scheinbar Vereinheitlichung der Kräfte bei Planck-Skala

MPl = 1016 GeV – aber nur unter der Annahme von Supersymmetrie!

Hierarchie-Problem: Warum alle Teilchenmassen um 14-18 Größenordnungen kleiner als MPl? Welche Physik passiert zwischen diesen Skalen?

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Also: Erweiterungen des SM Supersymmetrie

Idee: Jedes Boson (Fermion) bekommt fermionischen (bosonischen) Superpartner (sleptons und –inos).

Hilft u.a. bei Vereinheitlichung und der Beseitigung von häßlichen Divergenzen (Unendlichkeiten) in den Rechnungen.

Problem: Supersymmetrie ist keine erhaltene Symmetrie – sonst hätten wir ja Superteilchen gesehen Symmetriebrechung???

Vereinheitlichungen SM SU(5) SO(10) E6 … Strings Einschluss von

Gravitation? Das Tolle:

Mit LHC wird man Physik bei der Planck-Skala testen können – obwohl Schwerpunktsenergie “nur” 14 TeV! Wir werden sicherlich ab 2007 etwas lernen (auch das Fehlen neuer Beobachtungen ist eine starke Aussage)!

(Nicht-)Entdeckung von Teilchen erlaubt Aussagen über Theorie bei der Vereinheitlichungsskala.

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ÜbersichtReihenfolge frei veränderbar!

Das Physik-Studium

Hochenergiephysik heute

Die Forschungszentren DESY und CERN DESY, HERA, H1 und ZEUS Physik bei HERA DESYs Zukunft: TESLA? CERN und LEP LHC: Die Hoffnung der Teilchenphysik

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DESYDeutsches Elektronen-Synchrotron, Hamburg Vom kleinen Synchrotron zum Beschleunigerkomplex.

- HERA: Protonen (920 GeV) auf Elektronen (27.5 GeV). Experimente H1, ZEUS, HERMES, (HERA-B/C). - DORIS: Synchrotronstrahlung f. Grundlagen und Anwendung Material/Bio/Nanostruktur/Chemie/Pharmazie/etc.- Zahlreiche Vorbeschleuniger

Finanzierung durch Bund und Land; Beteiligung anderer Institute und Nationen an der Durchführung und Finanzierung der Projekte (“HERA-Modell”).

Grob 1000 Wissenschaftler, Techniker und sonstige Angestellte. Noch einmal ca. 2000 Leute durch Universitäten und Institute.

Teil der Helmholtzgemeinschaft der Grossforschungs-einrichtungen (HGF).

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HERAHadron-Elektron-Ring-Anlage

6.3 km Umfang, 10 m unter der Erde (z.B. AOL-Stadion).

Erfolgreicher Betrieb seit 1991; bis vor kurzem Upgrade.

Geplanter Betrieb bis 2006/7.

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HERADer einzige ep-Collider

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HERA-TunnelZwei Beamlines, Stromversorgung, Kryo, Magnete

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Die HERA-ExperimenteAm Beispiel von H1 - Schalenstruktur

Spurkammern zur Impuls-Bestimmung geladener Teilchen (MWPC, Drift-Kammern, Halbleiter-detektoren – beruhen auf Ionisation).

Kalorimeter messen die Energien hadronisch und elektromagnetisch wwirkender Teilchen.

Muonkammern messen Muonen und verwerfen kosmischen Untergrund.Assymetrischer Aufbau

– der Schwerpunkt bewegt sich in Proton-Richtung

Solenoidspulen erzeugen magnetische Felder (Tesla) Spurkrümmung

e

p

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Das H1-ExperimentEine Internationale Kollaboration

Ca. 350 Physiker, Techniker, Stundenten Nicht alle immer voll aktiv; viele haben Hardware gebaut, vor allem Studenten machen Datenanalyse und sorgen für reibungslosen Betriebs des Experiments.

30 Institute aus ca. 15 Ländern

Interessantes, nicht immer reibungsloses Miteinander der Kulturen. Wichtige Qualifikation f. späteres Berufsleben

Kollegialer Umgang Flache Hierarchien ~demokratische Entscheidungen Diskussion als zentraler Bestandteil der Arbeit; das bessere Argument gilt. Kommunikative Fähigkeiten sind wichtig!

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Das H1-ExperimentImpressionen

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Das H1-ExperimentImpressionen

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Das ZEUS-ExperimentCa. 400 Wissenschaftler und Stundenten

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Elektron-Proton-StreuungDas Elektron dient der Vermessung der Struktur des Protons!

Neutral current (NC): ,ZCharged current (CC): W

Ee = 27.5 GeV

p=xP

P

Q2=-q2=-(k-k’)2

Proton

k’(e±,)k Lepton (e±)

y=Q2/sx: Inelastizität[s=Schwerpunktsenergie]

,Z,W

Ep = 920 GeV[<1998: 820 GeV]

x=Q2/2Pq: Anteil des Quarksam Protonimpuls (Bjorken-x)

Q2: Viererimpuls-Transfer[Auflösung ~1/Q]

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Ein typisches Ereignis in H1

Gestreutes Quark

Gestreutes e±

ProtonLepton

Kalorimeter

Struktur des Protons EM und schwache WW QCD Neue Physik

Spurkammern

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Dynamik im Proton unter der Lupe

Proton = 3 Quarks ???

Elektron (Q2)

x

HERA: Ideales Laborzur Untersuchung der Partondynamik im Proton.

QCD: Quantenchromodynamik

q qg

Beschreibt die WW vonQuarks und Gluonen unddamit das Innenleben desProtons.

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Die Strukturdes Protons

Spannend: - Beschreibt Theorie die Daten?- Welche Präzision brauchen wir, um am LHC Physik zu machen?

[x: Impulsanteil desGestreuten Quarks am Protonimpuls]

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Die Protonstruktur – PDFsParton Distribution Functions

Frage: Wie gross ist dieWahrscheinlichkeit, ein Quark/Gluon im Proton zufinden, das einen Bruchteilx des Proton-Impulsesträgt?

Beachte den Unterschiedzwischen Valenz- undSeequarks und Gluonen!

falls Proton = 3 Quarks 1/3 (uud)

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Elektroschwache Theorie

(NC) = (CC)

Elektroschwache Ver-einheitlichung

Bei hohen Energien (Q2):

Neutral Charged Current Current

,Z W

e e’ e

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Die starke Weckselwirkung: QCD

… die nächste Ordnung …

BGF: Boson-Gluon-Fusion

QCD-C: QCD-Compton-Events

s!

Probleme bei sehr genauem Hingucken?

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Besonders nett: s

s ist der fundamentaleParameter der QCD (wieEM im Falle der QED).

Die Kopplung `rennt’; Messungen bei HERA sind vergleichbarmit Messungen bei LEP und anderen Experimenten!

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Die Suche nach neuer Physik

Zweifach geladeneHiggs-Bosonen: e+ e-H++

[Ladungsvorzeichen des Leptons wechselt; 3 Leptonen im Endzustand]

RP-verletzende SUSY: z.B. ed gravitino

Leptoquarks: eq eq[Resonanzen in inv. Masse; ~high-Q2-DIS mit e+Jet]

Finden wir Physik jenseitsdes Standard-Modells?Neue Wechselwirkungen?

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TESLA – die Zukunft (?)Pläne für neue e+e--Beschleuniger

Plan: 33-km-Tunnel bei Hamburg f. 1-TeV-Linearcollider.

Baubeginn evtl. 2015 Kosten: N Mrd. Euro Konkurrenzprojekte in USA und

Japan – “Es kann nur einen geben!”

Finanzierung unklar (Politik!); Allerdings Zusage f. Roentgenlaser (XFEL).

Teilchenphysikzukunft von DESY unklar; allerdings wohl in jedem Fall Partizipation an internationalen Projekten.

CERN plant noch weiter – CLIC: CERN Linear Collider.

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TESLASchwerpunktsenergie ca. 1 TeV

Aufgabe: Präzise Vemessungder bei LHC gefundenen neuenPhysik: Higgs, Supersymmetrie.

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Ein Ereignis in TESLAHohe Teilchenraten; grosse Strahlenbelastung

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CERNCentre Europeen de la Recherche Nucleaire Europäisches Kern- und

Teilchenforschungszentrum in Genf/Schweiz, gesponsort von ca. 20 Nationen. Etat ca. 1 Mrd CHF/a. Ca. 2400 Angestellte, insgesamt 5000 Menschen aus aller

Welt. Erfolgsgeschichte:

Erste Messungen zur starken WW am ISR eines der ersten Proton-Synchrotrons Entdeckung von W und Z am SppS mit UA1, UA2 Betrieb von LEP von 1989 bis 2000

Zukunft: LHC Higgs, Supersymmetrie – die Zukunft der

Teilchenphysik. CLIC?

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Das CERNWie sieht ein Forschungslabor aus?

• Exterritoriales Gebiet zwischen Frankreich und

Schweiz;• Eigene Polizeigewalt, diplomatische Rechte.

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CERN und LEPFruchtbare 10 Jahre

e+e- -Collider 27.5 km Umfang 10-140 m unter der Erde

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CERN und LEPFruchtbare 10 Jahre

Strahlenergien 45-104 GeV s von mZ bis 208 GeV Beginn 1990 Ende der Laufzeit 2000

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Die CERN-Beschleuniger

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LEP: Impressionen

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LEP: Impressionen

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LEP: Impressionen

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WG, 24/11/2003 TSS: Physik 47

LEP: Event-Displays

e+

e-

Z

q

q

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CERN – die Zukunft: LHCpp bei 14 TeV! Die Hoffnung der Teilchenphysiker In den bestehenden LEP-

Tunnel wird ein pp-Beschleuniger mit Strahlenergien von 7 TeV und bisher unerreichter Intensität eingebaut.

Der Betrieb soll 2007 beginnen. Kosten des Projekts: ca. 1 Mrd CHF!

2 (+2) neue grosse Experimente: ATLAS, CMS

Hoffnung: Entdeckung des Higgs-Bosons und von Erweiterungen des SM!

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WG, 24/11/2003 TSS: Physik 49

CMS und ATLASNachweis von pp-Kollisionen bei 14 TeV Wechselwirkungen alle 25 ns schnelle Entscheidung

gebraucht, ob Ereignis wichtig ist Trigger. Riesige Herausforderung an Elektronik, Messtechnik,

Computing (Beispiel: das “Grid”).

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DAS ATLAS-EXPERIMENT

-40*20*20 m3

- Weight ~7000 t- 108 Kanäle (2MB)

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DAS ATLAS-EXPERIMENT

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DAS ATLAS-EXPERIMENT

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WG, 24/11/2003 TSS: Physik 53

DAS ATLAS-EXPERIMENT

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EntwicklungsbeispielIn Software und Hardware am Limit des technisch machbaren man betritt dauernd Neuland.

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Ein ATLAS-Ereignis

H ZZ* e+e-+-

(mH = 130 GeV)

Das ‘harte’ HiggsEreignis ist von ~23 weichen‘minimum-bias’-Ereignissen überlagert.

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Das CMS-ExperimentCompact Muon Solenoid

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Das CMS-ExperimentCompact Muon Solenoid

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Das CMS-ExperimentCompact Muon Solenoid

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Das CMS-ExperimentCompact Muon Solenoid

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Das CMS-ExperimentCompact Muon Solenoid

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Das CMS-ExperimentCompact Muon Solenoid

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Teilchenweg im ExperimentMuonen, Elektronen, Hadronen, Photonen

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ÜbersichtReihenfolge frei veränderbar!

Das Physik-StudiumGliederung, Veranstaltungen, Diplom- und Doktorarbeit

Hochenergiephysik heuteWas haben wir gelernt? Wo stehen wir?

Die Forschungszentren DESY und CERNVergangenheit, Gegenwart und Zukunft

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WG, 24/11/2003 TSS: Physik 64

Zusammenfassung und Ausblick Das Physikstudium ist anspruchsvoll und voller

Herausforderungen; es qualifiziert (immer noch) für viele Berufe. Gliederung in Experimentalphysik, theoretische Physik, Mathematik

und Nebenfächer Wissenschaftliche Karriere immer (noch, mehr) eine schwierige

Sache – wenige Stellen, Kostendruck an den Unis … Wir brauchen Physiker und Ingenieure – seit meinem Studienbeginn

1992 hatten sich die Studentenzahlen fast gedrittelt! Physik ist lebendig und aufregend; viele neue Entwicklungen

Nanostrukturen, Laser, Biophysik, Grundlagen und Anwendungen der Quantenphysik (Computing, Kryptographie)

Teilchenphysik ist eine extrem ausdifferenzierte Wissenschaft, die (hoffentlich) vor neuen Durchbrüchen steht! In den letzten Jahren Bestätigungen des Bekannten (SM). Berechtigte Hoffnungen an LHC und die Zukunft Generelle Hinwendung zu den angewandten Wissenschaften und

Richtungen innerhalb der Physik – eine gefährliche Tendenz?

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WG, 24/11/2003 TSS: Physik 65

TSS: BiographischesDer Vollständigkeit halber …

1991 Abitur am WG (LK M/Ph)

1991/92 Jobben, ausgedehnte Auslandsreise

1992-94 Grundstudium Physik in HH (Zweitstudium Philosophie)

1994 Vordiplom Physik in HH

1994-97 Hauptstudium in München (Zweitstudium Wissenschaftstheorie und Logik)

1997/98 Diplomarbeit am OPAL-Experiment (LEP/CERN, Suche nach Higgs-Bosonen)

1998-2001 Doktorarbeit am MPI f. Physik (München) in der H1-Gruppe (HERA/DESY, QCD-Studien mit “Jets”)

2001-03 Arbeit als CERN-Research-Fellow an den Experimenten ATLAS und OPAL (LEP+LHC/CERN)

2003-?? Wissenschaftl. Mitarbeiter der Uni HH für die Experimente ZEUS (HERA/DESY) und CMS (LHC/CERN)