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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.

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1 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. Quast Institut für experimentelle Kernphysik Universität Karlsruhe (TH)

2 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 2 Was wir schon wissen... Der Teichenbaukasten ist komplett ! ? Drei der vier fundamentalen Wechsel- wirkungen sind gut verstanden !... und was auf jeden Fall noch fehlt ???

3 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 3 Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends: Ursprung der Massen der Elementarteilchen ? Gibt es den Higgs-Mechanismus, und wie funktioniert er ?

4 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 4 Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends: Vereinigung aller fundamentalen Kräfte in einer Universalwechselwirkung ?

5 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 5 Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends: Unbekannte Formen von Materie ? z.B. supersymmetrische Materie als dunkle Materie

6 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 6 Offene 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

7 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 7 Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends: Verborgene räumliche Dimensionen ? Ist unser Raum auch bei Abständen von m noch dreidimensional?

8 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 8 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:

9 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 9 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 Zeiten s nach dem Urknall

10 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 10 LHC – Parameter ~1600 geladene Teilchen im Detektor Hohe Teilchendichten sind eine Herausforderung für die Detektoren 2835 × 2835 Proton-Proton-Pakete ( bunches) Protonen/Paket Proton-Energie: 7 TeV Kreuzungsrate der p-Pakete: 40 Mhz bis zu 10 9 pp-Stöße/sec Luminosität: cm -2 s -1 Design, 0.2×10 34 cm -2 s -1 anfänglich 23 Ereignisse im Detektor überlagert

11 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 11 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 LHC als größte supraleitende Anlage ist Herausforderung für die Kryo-Technik !

12 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 12 pp-Kollision bei LHC Proton

13 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 13 Zwiebelschalenstruktur eines Detektors

14 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 14 Teilchenspuren im Detektor Selektive Rekonstruktion Tausende von Teilchenspuren in jedem Ereignis Manchmal gibt es ein paar interessante... z.B. Higgs: eines in Kollisionen Herausforderung für Detektorbau, Experimentiertechnik und Datenanalyse ! Interessante Physik passiert sehr selten, Analyse bedeutet Suche nach der Nadel im Heuhaufen!

15 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 15 Ereignis- und Daten-Raten bei LHC Detektoren haben einige 10 7 Kanäle LHC Kollisionsrate: 40 MHz bit/Kanal ~1000 Tbyte/s Rohdatenrate ! Nullunterdrückung und Trigger reduzieren Datenrate auf nur (einige) 100 Mbyte/s 1 Level 1 - Hardware Level 2 – Online Farm 40 MHz (1000 TB/sec) äquivalent Level 3 – Online Farm 100 Hz (100 MB/sec 75 Khz (75 GB/sec komplett digitalisiert) 5 Khz (5 GB/sec) (Wenn 6 Milliarden Menschen gleichzeitig telefonieren, sind das (nur) 50 TB/sec ) Dieser Datenstrom muss weltweit verteilt werden !

16 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 16 Teilchenphysik ist international 267 Institute in Europa, 4600 Physiker 208 Institute anderswo, 1600Physiker sind an CERN-Projekten beteiligt. Grid-Computing verbindet die weltweiten Ressourcen der Teilchenphysiker

17 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 17 Das World-Wide-Grid zur Analyse der LHC-Daten (Bsp. CMS) Datenanalyse auf einem virtuellen Supercomputer...

18 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 18 GridKa am Forschungszentrum Karlsruhe

19 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 19 Der CMS-Detektor E Einiges ist bereits Realität...

20 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 20 Der 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 m 2 Siliziumstreifendetektoren mit 10 Mio elektronischen Kanälen

21 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 21 Simulierte Ereignisse im Detektor Die geraden roten Linien stammen von einem simulierten Higgs-Boson mit 120 GeV Masse

22 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 22 Bsp.: 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 !

23 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 23 Elektron-Positron Linearbeschleuniger Alternative Strategie: Präzisionsmessungen statt 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?)

24 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 24 Zusammenfassung und Ausblick

25 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 25

26 Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 26 Zur Lektüre empfohlen: Broschüre der deutschen Teilchenphysiker zu Stand und Zukunft des Gebiets Nov. 2002


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