CERN: Was ? Warum ? Wie ?
CERN: Was ? Warum ? Wie ? • Was – ‘Dienstleistungsbetrieb’ für Grundlagenforschung – Akademische Institution – Einige Zahlen • Warum – Struktur der Materie – Fundamentale Gesetze der Physik – Grundlagenforschung als Motor der angewandter Forschung • Wie – Beschleuniger – Detektoren
CERN als Dienstleistungsbetrieb • CERN-Mission, gemäss Konvention (Gründung im Jahre 1954) – Entwicklung, Bau, Betrieb von Grossanlagen (‘Beschleunigern’) für Teilchenphysik – Beteiligung an der Forschung in der Teilchenphysik (Experimente und Theorie an Beschleunigern und an Höhenstrahlung) – Koordination der europäischen Teilchenphysik • Schwerpunkt (Personal, Budget) auf Beschleunigern – ~75 % des Personals im Beschleuniger/Verwaltungssektor – ~25 % des Personals im Forschungssektor • Beschleuniger-Entwicklung, Bau – Wahl des Beschleunigers: bestimmt das Forschungsprogramm→ – Wahl erfolgt in weltweiter Koordination der Physiker – Bau: überwiegend durch CERN-Personal in Zusammenarbeit mit Industrie; • Experimente – Durchführung hauptsächlich durch ‘auswertige’ Forschungsgruppen (~ 85%); CERN-Physiker vorwiegend in Koordinationsfunktionen
CERN als ‘Akademische Institution’ • Ausbildung von Studenten – In Teilchenphysik • Während LEP-Betriebes ca. 100 Dissertationen/ Jahr – In angewandter Physik und Ingenieurswissenschaften: • ca. 30 Dissertationen/ Jahr • Im Vergleich : Physikfakultät der TU Wien: 50 Dissertationen/ Jahr – CERN Summer School : Vorlesungen für 200 ‘Summer students’, • Diese Vorlesungen werden im Allgemeinen von Universitäten anerkannt • Weiter Aktivitäten: – CERN School of Particle Physics; hat Universitätscharakter; – 400 wissenschaftliche Publikationen/Jahr; Seminare; Konferenzen
CERN: einige Zahlen • • Budget – ~ 800 M Euro/ Jahr (2003) – Im Vergleich • TU Wien : ~ 200 M Euro/Jahr • ETH Zürich : ~600 M Euro/Jahr – CERN ≈ eine grössere europäische Universität Personal – 2350 CERN staff Wissenschaftliche ‘Benützer’ der CERN Anlagen – ca. 6000 Physiker • ca 70% aus den 20 Mitgliedsstaaten • ca 30 % aus ca 60 Nicht-Mitgliedsstaaten; – Insbesondere: Canada, China, Indien, Israel, Japan, Russland, USA – Neuere Kontakte mit Südamerika, arabische Länder LHC Bau mit weltweiter Beteiligung: Prototyp eines ‘Welt-Labors’
Gegenwärtig baut CERN den Large Hadron Collider (LHC)
Welche Art von Forschung wird am CERN betrieben ? Die Struktur der Materie: Was sind die fundamentalen Bausteine der Materie ? Fundamentale Gesetze der Physik: Was sind die Grundgesetze der Physik welche die Wechselwirkung der fundamentalen Bausteine beschreiben ? Mit der Entwicklung der Urknall Hypothese ist die Teilchenphysik (Wissenschaft der kleinsten Bausteine) grossteils mit der Kosmologie (Wissenschaft der Anfänge des Universums) verschmolzen. Teilchenphysik ist ‘Reise zu dem Ursprung unserer Existenz’
Die Struktur der Materie ? Warum braucht man riesige Beschleuniger um die kleinsten Bausteine der Materie zu untersuchen ? Ein Digitalbild meiner Hand. Ein Photon. Streuexperiment: Das Licht der Lampe wird von der Hand verschiedenartig reflektiert und zeigt damit die Struktur der Hand. Mit Hilfe einer Lupe oder eines Mikroskops kann man kleinere Strukturen auflösen, aber es gibt eine fundamentale Grenze: Es können keine Strukturen aufgelöst werden die kleiner sind als die Wellenläge des Lichtes ! (ca. 1 tausendstel mm für sichtbares Licht).
Aus der Forschung der Chemie wusste man Ende des 19. Jh. dass es Grundstoffe gibt aus denen alle anderen aufgebaut sind. Mendeleevs Periodensystem der chemischen Elemente
Der Beginn der Teilchenphysik Im Jahr 1899 entdeckte J. J. Tomson das Elektron (Beginn der Teilchenphysik) und formulierte das folgende Atommodell: Die Materie besteht aus Atomen wobei die Elektronen in einer Kugel von positive Elektrizität eingebettet sind. J. J. Thomson
Wie kann man die Strukture der Atome ‘sehen’ ? Rutherford: hochenergetische α-Teilchen, welche bei radioaktiven Zerfällen entstehen, durch eine dünne Goldfolie (1911). Aus dem ‘Muster’ der gestreuten Teilchen konnte er auf die Struktur der Atome schliessen ! radioactive source aparticles fluorescent screen target (very thin Gold foil) Ernest Rutherford Detector (human eye) Atome (10 -10 m) bestehen aus einem extrem kleinen Kern (10 -15 m) um welchen die elektronen Kreisen.
Wie kann man die Strukture der Atome ‘sehen’ ? Genau wie man aus dem gestreuten Licht einer Lampe die Struktur der Hand sieht kann man aus der Streuung hochenergetischer Teilchen die Struktur der Materie ‘sehen’. Durch den allgemeinen Welle-Teilche Dualismus kann man einem Teilchen eine Wellenlänge zuorndnen λ=h/p. Höhere Teilchenenergie kleinere die Wellenlänge Beschleuniger sind Supermikroskope !
Die Struktur der Materie ? Optisches Mikroskop Sichtbares Licht 10 -6 m Radioaktive Quelle Alpha teilchen 10 -14 m LEP Beschleuniger Elektronen 10 -20 m LHC Beschleuniger: 10 -100 mal kleinere Details !
COMPASS Experiment am CERN
Die Struktur der Materie ? 1900 1911 1932 1967
Die fundamentalen Gesetze der Physik, Teilchen und ihre Wechselwirkungen Bis zum Jahr 1930 kannte man 2 Elementarteilchen: Elektron, Proton Bald darauf entdeckte man in hochenergetischen Teilchenkollisionen neue (meist sehr kurzlebige) Teilchen. Im Jahr 1960 kannte man schon über 100 solcher Teilchen (Teilchenzoo). ‘Bubble Chambers’ 70 iger Jahre
E=mc 2 e+, e- Kollisonen am Large Electron Positron Collider (1988 -2000) Masse = 90 000 Me. V Masse = 0. 5 Me. V Z 0 Masse = 0. 5 Me. V e+ e- P=45 000 Me. V/c
CERN ist eine ‘Teilchenfabrik’ – erhöht man die Energie des Beschleunigers dringt man in neue Bereiche der Teilchenwelt vor … Aleph Experiment am LEP Simulation eines LHC events Aus ca. 1 Million Messpunkten
Entdeckung des Z Teilchens (1984)
Das ‘Standardmodell’ der Teilchenphysik: Materie (+Antimaterie) 1974 1990 Kräfte 1978 1965 1976 1960 2001 1904 Bei LEP (19882000) mit 0. 01% Genauigkeit getestet und für ‘perfekt’ befunden. 1954 1984 1899 1932 1976 Higgs Teilchen, verantworlich für die Masse der Quarks und Leptonen. ? ? ? LEP 3 Teilchenfamilien
Das ‘Standardmodell’ der Teilchenphysik: Bei LEP mit 0. 01% Genauigkeit getestet und für ‘perfekt’ befunden. Higgs Teilchen, verantworlich fuer die Masse der Quarks und Leptonen. ‘Muss bei LHC zu finden sein’
Teilchenphysik dominiert das Geschehen in den ersten Sekunden des Universums
Die grossen Fragen des 21. Jahrhunderts • Woher kommt die Masse der Elemetarteilchen, Higgs Teilchen ? • Am Anfang: Materie und Antimaterie demokratisch zu gleichen Teilen erzeugt→ – Innerhalb der ersten Sekunde hat sich Materie und Antimaterie zerstrahlt, bis auf 1 Teilchen in einer Milliarde→ was übergeblieben ist, wurde zu Sternen, Planeten, …Menschen → welcher Mechanismus hat diese Symmetrie so delikat verletzt, dass einziges Teilchen in einer Milliarde übrig blieb ? Diese Symmetrie-Verletzung ist Ursache für Materie, Steren, Leben • Unser Universum expandiert immer schneller (vor 5 Jahren festgestellt) – Expansion ist ein Massstab der Gesamtmasse (Energie) im Universum – 5% der Masse des Universums ist uns bekannt in Form von Sternen – 25% der Masse ist in einer unbekannten Form, der ‘dunklen’ Masse→ woraus besteht diese Masse ? Supersymmetrische Teilchen ? – 70% der Masse ist in Form einer unbekannten, ‘dunklen’ Energie→ wir haben nicht die geringste Ahnung • Zwei Säulen der Physik des 20. Jahrhunderts – Quantenphysik, Relativitätstheorie können bei sehr hohen Temperaturen (am frühen Beginn) nicht unabhängig von einander existieren → die vereinheitliche Beschreibung ist wahrscheinlich die grösste Herausforderung des 21. Jahrhunderts
Grundlagenforschung als Motor der Angewandten Forschung: Spin-Off Zusätzlich zur Funktion als Ausbildungsort und Akademische Institution: Anwendung der Beschleunigertechnik in der Medizin Anwendung der Detektortechnologie in der Medizin (Medipix, Kristalle) Entwicklung von Hochtechnologie für die Industrie Entwicklung von Techniken zur Datenkommunikation (WWW am CERN erfunden !)
Der Beschleunigerkomplex des CERN LEP (1988 -2000), LHC (ab 2007) SPS (1978) ISR (1972) PS (1960) CNGs (ab 2006)
CNGS
CNGS
LHC: 27 km supraleitender Magnete Kühlung mit flüssigem Helium ( -271. 5 0 C i. e. 1. 7 K)
LHC: 27 km supraleitender Magnete 1200 Supraleitende Magneten 11700 Ampere
Die 4 LHC Experimente 44 m Länge; 22 m Durchmesser Benützt den grössten supraleitenden Magneten der Welt 100 Millionen Messkanäle 30 m Länge; 20 m Durchmesser Benützt einen der stärksten supraleitenden Gross-Magnete der Welt 100 Millionen Messkanäle Starke österreichische Beteiligung: HEPHY
Das Leben eines LHC-Experimentes • • • ‘Brainstorming’ Phase – Erste Ideen diskutiert ab 1990 -1993 – Prototypen-Kollaboration von einigen hundert Physikers – Erste Untersuchungen zur Machbarkeit der Messprinzipien – Erstes Dokument: ‘Expression of Interest’ Konsolidations-Phase 1994 -1996 – Gruppierung in zwei Gross-Kollaboration mit mehr als 1000 Mitgliedern – Zwei relative verschiedene experimentelle Strategien auf ‘natürliche’ Weise ausgearbeitet – Arbeitsprogramm, Budgets ausgearbeitet Entwicklungspase 1997 -2001 Konstruktionsphase 2002 - 2006 Überraschung – Technische Lösungen konnten gefunden werden – Komplexe Problematik der ‘Super-Kollaborationen’ (2000 Leute) hat mehr Schwierigkeiten gebracht (unerwartet)
Daten der LHC Experimente 1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde 100 000 Milliarden Kollisionen pro Jahr Balloon (30 Km) CD stack with 1 year LHC data! (~ 20 Km) Darunter ca. 100 Higgs Teilchen erwartet Nach Filterung, 100 interessante Kollisionen pro Sekunde aufgezeichnet 10 Megabyte digitisierte Daten pro Kollision: Schreibrate 1 Gigabyte/sec 10 Milliarden Kollisionen pro Jahr aufgezeichnet Gespeicherte Daten 10 Petabytes/Jahr GRID: Weiterentwicklung der Internet Concorde (15 Km) Mt. Blanc (4. 8 Km)
Zusammenfassung CERN ist das weltgrösste Beschleunigerzentrum an dem Grundlagenforschung zu Fragen der Strukture der Materie und der fundamentalen Gesetzte der Physik untersucht werden. In den letzten 50 Jahren hat sich CERN zu einem ‘Weltlabor’ entwickelt. Neben den 2400 Staff Angestellten betreiben ca. 6000 Wissenschafter aus aller Welt ihre Forschung am CERN arbeitet mit einem Budget einer grossen Europaeischen Universität. Neben dieser Forschung ist CERN eine wichtiger Generator von Spin-Off und fungiert als Ausbildungsstätte und Akademische Institution. Der LHC Beschleuniger und die 4 Grossexperimente am LHC befinden sich im Bau und werden ab 2007 konkurrenzlos eine neue Domäne der Teilchenwelt eindringen.
Technologieentwicklung: Beispiel GRID • Brauchen ~100 000 von den heutigen schnellsten PCs, um LHC Daten zu analysieren • Lösung: Vernetzung von bisher isolierten Computer Zentren • GRID: “seamless access” zu Rechnerkapazitäten und Datenspeicher Resourcen Weiterentwicklung des Internet.
Example of antiproton annihilation at rest in a liquid hydrogen bubble chamber
Das ‘Standardmodell’ der Teilchenphysik: Materie (+Antimaterie) Kräfte Bei LEP (1988 -2000) mit 0. 01% Genauigkeit getestet und für ‘perfekt’ befunden. LEP 3 Teilchenfamilien ? ? ? Higgs Teilchen, verantworlich für die Masse der Quarks und Leptonen.
Das ‘Standardmodell’ der Teilchenphysik: