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(Teilchen-)PHYSIK Studium, Stand der Dinge, Forschung und Forschungsorganisation Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg Willstätter-Gymnasium.

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

2 WG, 24/11/2003TSS: Physik2 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.

3 WG, 24/11/2003TSS: Physik3 Übersicht Reihenfolge frei veränderbar! Das Physik-Studium Gliederung, Veranstaltungen, Diplom- und Doktorarbeit Hochenergiephysik heute Was haben wir gelernt? Wo stehen wir? Die Forschungszentren DESY und CERN Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft

4 WG, 24/11/2003TSS: Physik4 Das Physik-Studium I Semesterorganisation SemesterVeranstaltungen 0Mathematischer Vorbereitungskurs 1Physik I + Ü, Math. Ergänzung, Mathe I + Ü, Nebenfach 2Physik II + Ü, Math. Ergänzung, Mathe II + Ü, Nebenfach 3Physik II + Ü, Mathe III + Ü, Theo. Mechanik + Ü, Nebenfach 4Struktur d. Materie + Ü, Mathe IV + Ü, Theo. E-Dynamik + Ü, Nebenfach 5Kern/Festkörper/Teilchenphysik I + Ü, QM I + Ü 6Kern/Festkörper/Teilchenphysik II + Ü, Statistische Physik + Ü 7Spezialvorlesungen, Seminare, 8Spezialvorlesungen, Seminare 9Diplomarbeit 10Diplomarbeit Dazu Numerik, angewandte Physik, Spezialveranstaltungen, Praktika.

5 WG, 24/11/2003TSS: Physik5 Das Physik-Studium II Abschnitte 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.

6 WG, 24/11/2003TSS: Physik6 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.

7 WG, 24/11/2003TSS: Physik7 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?

8 WG, 24/11/2003TSS: Physik8 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!)

9 WG, 24/11/2003TSS: Physik9 Übersicht Reihenfolge frei veränderbar! 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

10 WG, 24/11/2003TSS: Physik10 Hochenergiephysik: Status Unser 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, B 0 (elektroschwache Theorie). SM = lokale Eichtheorie aus starker WW (QCD), schwacher WW und QED; Gruppe SU(3) c SU(2) U(1). Higgs: das ~einzige Rätsel des SM. Higgs verleiht Masse. e- - - e d s b u t c LeptonenBaryonen FermionenBosonen Z,W ± g QCD QED Schwache WW Higgs???

11 WG, 24/11/2003TSS: Physik11 Ergebnisse der letzten 10 Jahre LEP: elektroschwache WW (W,Z in den 80ern gefunden). Es gibt drei Generationen! Anzahl der Ereignisse als Funktion der Schwerpunktsenergie zusammen mit Vorhersage (e + e - Z + - ). Vorhersagen von m t, m H ! Für top-Quark sehr exakt. e+e+ e-e- Z e+e+ e-e- Z f f t,H

12 WG, 24/11/2003TSS: Physik12 Ergebnisse der letzten 10 Jahre QCD: Top-Quark, Protonstruktur (Gluon ~1980 bei Petra) Entdeckung des Top-Quarks! Mit den Experimenten D0 und CDF am Tevatron des Fermi-Lab (USA). Struktur des Protons! HERA: Der einzige ep-Collider!

13 WG, 24/11/2003TSS: Physik13 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 Jahre Neutrinos: Entdeckung Tau-Neutrino, Neutrino-Masse 1 2 3

14 WG, 24/11/2003TSS: Physik14 … und alles scheint zu passen! Das Standard-Modell beschreibt (fast) alles! Probleme? Leichte Diskrepanz in verschiedenen Messungen des Parameters A FB b. Manchmal etwas grosse Streuung verschiedener Messungen eines Parameters. Bedeutung? Signifikanz? Hinweis auf neue Kopplungen an B-Quarks? Zufall? Eigentlich langweilig … Bis auf kleine Aufregungen … Aleph hat ein paarmal das Higgs gefunden … HERA hatte Leptoquarks gefunden … … aber …

15 WG, 24/11/2003TSS: Physik15 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: G rand U nified T heory (?????) Scheinbar Vereinheitlichung der Kräfte bei Planck-Skala M Pl = GeV – aber nur unter der Annahme von Supersymmetrie! Hierarchie-Problem: Warum alle Teilchenmassen um Größenordnungen kleiner als M Pl ? Welche Physik passiert zwischen diesen Skalen?

16 WG, 24/11/2003TSS: Physik16 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.

17 WG, 24/11/2003TSS: Physik17 Übersicht Reihenfolge 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

18 WG, 24/11/2003TSS: Physik18 DESY Deutsches 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 Leute durch Universitäten und Institute. Teil der Helmholtzgemeinschaft der Grossforschungs- einrichtungen (HGF).

19 WG, 24/11/2003TSS: Physik19 HERA Hadron-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.

20 WG, 24/11/2003TSS: Physik20 HERA Der einzige ep-Collider

21 WG, 24/11/2003TSS: Physik21 HERA-Tunnel Zwei Beamlines, Stromversorgung, Kryo, Magnete

22 WG, 24/11/2003TSS: Physik22 Die HERA-Experimente Am 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

23 WG, 24/11/2003TSS: Physik23 Das H1-Experiment Eine 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!

24 WG, 24/11/2003TSS: Physik24 Das H1-Experiment Impressionen

25 WG, 24/11/2003TSS: Physik25 Das H1-Experiment Impressionen

26 WG, 24/11/2003TSS: Physik26 Das ZEUS-Experiment Ca. 400 Wissenschaftler und Stundenten

27 WG, 24/11/2003TSS: Physik27 Elektron-Proton-Streuung Das Elektron dient der Vermessung der Struktur des Protons! Neutral current (NC):,Z Charged current (CC): W E e = 27.5 GeV p=xP P Q 2 =-q 2 =-(k-k) 2 Proton k(e ±, )k Lepton (e ± ) y=Q 2 /sx: Inelastizität [s=Schwerpunktsenergie],Z,W E p = 920 GeV [<1998: 820 GeV] x=Q 2 /2Pq: Anteil des Quarks am Protonimpuls (Bjorken-x) Q 2 : Viererimpuls-Transfer [Auflösung ~1/Q]

28 WG, 24/11/2003TSS: Physik28 Ein typisches Ereignis in H1 Gestreutes Quark Gestreutes e ± ProtonLepton Kalorimeter Struktur des Protons EM und schwache WW QCD Neue Physik Spurkammern

29 WG, 24/11/2003TSS: Physik29 Dynamik im Proton unter der Lupe Proton = 3 Quarks ??? Elektron (Q 2 ) x HERA: Ideales Labor zur Untersuchung der Partondynamik im Proton. QCD: Quantenchromodynamik qq g Beschreibt die WW von Quarks und Gluonen und damit das Innenleben des Protons.

30 WG, 24/11/2003TSS: Physik30 Die Struktur des Protons Spannend: - Beschreibt Theorie die Daten? - Welche Präzision brauchen wir, um am LHC Physik zu machen? [x: Impulsanteil des Gestreuten Quarks am Protonimpuls]

31 WG, 24/11/2003TSS: Physik31 Die Protonstruktur – PDFs Parton Distribution Functions Frage: Wie gross ist die Wahrscheinlichkeit, ein Quark/Gluon im Proton zu finden, das einen Bruchteil x des Proton-Impulses trägt? Beachte den Unterschied zwischen Valenz- und Seequarks und Gluonen! falls Proton = 3 Quarks 1/3 (uud)

32 WG, 24/11/2003TSS: Physik32 Elektroschwache Theorie (NC) = (CC) Elektroschwache Ver- einheitlichung Bei hohen Energien (Q 2 ): Neutral Charged Current,Z W e e e

33 WG, 24/11/2003TSS: Physik33 Die starke Weckselwirkung: QCD … die nächste Ordnung … BGF: Boson- Gluon-Fusion QCD-C: QCD- Compton-Events s ! Probleme bei sehr genauem Hingucken?

34 WG, 24/11/2003TSS: Physik34 Besonders nett: s s ist der fundamentale Parameter der QCD (wie EM im Falle der QED). Die Kopplung `rennt; Messungen bei HERA sind vergleichbar mit Messungen bei LEP und anderen Experimenten!

35 WG, 24/11/2003TSS: Physik35 Die Suche nach neuer Physik Zweifach geladene Higgs-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-Q 2 -DIS mit e+Jet] Finden wir Physik jenseits des Standard-Modells? Neue Wechselwirkungen?

36 WG, 24/11/2003TSS: Physik36 TESLA – die Zukunft (?) Pläne für neue e+e--Beschleuniger Plan: 33-km-Tunnel bei Hamburg f. 1-TeV- Linearcollider. Baubeginn evtl 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.

37 WG, 24/11/2003TSS: Physik37 TESLA Schwerpunktsenergie ca. 1 TeV Aufgabe: Präzise Vemessung der bei LHC gefundenen neuen Physik: Higgs, Supersymmetrie.

38 WG, 24/11/2003TSS: Physik38 Ein Ereignis in TESLA Hohe Teilchenraten; grosse Strahlenbelastung

39 WG, 24/11/2003TSS: Physik39 CERN Centre Europeen de la Recherche Nucleaire Europäisches Kern- und Teilchenforschungszentrum in Genf/Schweiz, gesponsort von ca. 20 Nationen. Etat ca. 1 Mrd CHF/a. Ca 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?

40 WG, 24/11/2003TSS: Physik40 Das CERN Wie sieht ein Forschungslabor aus? Exterritoriales Gebiet zwischen Frankreich und Schweiz; Eigene Polizeigewalt, diplomatische Rechte.

41 WG, 24/11/2003TSS: Physik41 CERN und LEP Fruchtbare 10 Jahre e + e - -Collider 27.5 km Umfang m unter der Erde

42 WG, 24/11/2003TSS: Physik42 CERN und LEP Fruchtbare 10 Jahre Strahlenergien GeV s von m Z bis 208 GeV Beginn 1990 Ende der Laufzeit 2000

43 WG, 24/11/2003TSS: Physik43 Die CERN- Beschleuniger

44 WG, 24/11/2003TSS: Physik44 LEP: Impressionen

45 WG, 24/11/2003TSS: Physik45 LEP: Impressionen

46 WG, 24/11/2003TSS: Physik46 LEP: Impressionen

47 WG, 24/11/2003TSS: Physik47 LEP: Event-Displays e+e+ e-e- Z q q

48 WG, 24/11/2003TSS: Physik48 CERN – die Zukunft: LHC pp 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!

49 WG, 24/11/2003TSS: Physik49 CMS und ATLAS Nachweis 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).

50 WG, 24/11/2003TSS: Physik50 DAS ATLAS-EXPERIMENT -40*20*20 m 3 - Weight ~7000 t Kanäle (2MB)

51 WG, 24/11/2003TSS: Physik51 DAS ATLAS-EXPERIMENT

52 WG, 24/11/2003TSS: Physik52 DAS ATLAS-EXPERIMENT

53 WG, 24/11/2003TSS: Physik53 DAS ATLAS-EXPERIMENT

54 WG, 24/11/2003TSS: Physik54 Entwicklungsbeispiel In Software und Hardware am Limit des technisch machbaren man betritt dauernd Neuland.

55 WG, 24/11/2003TSS: Physik55 Ein ATLAS-Ereignis H ZZ* e + e (m H = 130 GeV) Das harte HiggsEreignis ist von ~23 weichen minimum-bias-Ereignissen überlagert.

56 WG, 24/11/2003TSS: Physik56 Das CMS-Experiment Compact Muon Solenoid

57 WG, 24/11/2003TSS: Physik57 Das CMS-Experiment Compact Muon Solenoid

58 WG, 24/11/2003TSS: Physik58 Das CMS-Experiment Compact Muon Solenoid

59 WG, 24/11/2003TSS: Physik59 Das CMS-Experiment Compact Muon Solenoid

60 WG, 24/11/2003TSS: Physik60 Das CMS-Experiment Compact Muon Solenoid

61 WG, 24/11/2003TSS: Physik61 Das CMS-Experiment Compact Muon Solenoid

62 WG, 24/11/2003TSS: Physik62 Teilchenweg im Experiment Muonen, Elektronen, Hadronen, Photonen

63 WG, 24/11/2003TSS: Physik63 Übersicht Reihenfolge frei veränderbar! Das Physik-Studium Gliederung, Veranstaltungen, Diplom- und Doktorarbeit Hochenergiephysik heute Was haben wir gelernt? Wo stehen wir? Die Forschungszentren DESY und CERN Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft

64 WG, 24/11/2003TSS: Physik64 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?

65 WG, 24/11/2003TSS: Physik65 TSS: Biographisches Der Vollständigkeit halber … 1991Abitur am WG (LK M/Ph) 1991/92Jobben, ausgedehnte Auslandsreise Grundstudium Physik in HH (Zweitstudium Philosophie) 1994Vordiplom Physik in HH Hauptstudium in München (Zweitstudium Wissenschaftstheorie und Logik) 1997/98Diplomarbeit am OPAL-Experiment (LEP/CERN, Suche nach Higgs-Bosonen) Doktorarbeit am MPI f. Physik (München) in der H1- Gruppe (HERA/DESY, QCD-Studien mit Jets) 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)


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