Elemetarteilchenphysik am Large Hadron Collider (CERN)

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1 Elemetarteilchenphysik am Large Hadron Collider (CERN)
Die spannendsten Fragen der modernen Grundlagenforschung Thomas Lohse Humboldt-Universität zu Berlin Informationsveranstaltung der jDPG,

2 Das Standardmodell H Higgs …und Antimaterie

3 Das Standardmodell Ursprung der Massen?
elektromagnetische Kraft (Photon) H Higgs Atomkerne starke Kraft (Gluon) schwache Kraft aus radioaktiven Zerfällen HIGGS BOSON Atomhüllen Ursprung der Massen?

4 Zähigkeit  Teilchenmasse
Peter Higgs Das Higgs-Teilchen Higgs-Kraftfeld erfüllt das Universum Teilchen spüren Higgs-Feld als zähes Medium Zähigkeit hängt von Teilchentyp ab ... Zähigkeit  Teilchenmasse Problem: Higgs-Teilchen hat selbst große Masse.  Herstellung erfordert LHC-Energie.

5 Higgs-Felder in Sozialstrukturen
... ein Bankett auf einer Physik-Konferenz

6 Higgs-Felder in Sozialstrukturen
... ein berühmter Physiker kommt herein

7 Higgs-Felder in Sozialstrukturen
... je berühmter, desto zäher sein Fortkommen, desto größer seine effektive Masse

8 Das Weltall – Unendliche Weiten
Doch! Wir kennen mal gerade 4%! 22% Dunkle Materie 74% Dunkle Energie 4% Materie des Standardmodells Das Weltall – Unendliche Weiten Ist da sonst gar nichts mehr?

9  Eine Evidenz (von vielen) für Dunkle Materie r v(r)
Galaxien-Rotationskurven v(r) r Galaxiemasse M  Dunkle-Materie-Teilchen  Supersymmetrie ? > 3 Raumdimensionen ?

10 Der LHC Beschleunigerkomplex

11 Der LHC Beschleunigerkomplex
27 km Umfang Kollisionen von 7 TeV Protonen 2  2800 Pakete mit je 1011 Protonen t  25 ns zwischen Paket-Kollisionen

12 Der LHC Beschleunigerkomplex
ATLAS-Detektor: Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …

13 Der LHC Beschleunigerkomplex
CMS-Detektor: Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …

14 Der LHC Beschleunigerkomplex
LHCb-Detektor: Materie/Antimaterie-Asymmetrie, …

15 Der LHC Beschleunigerkomplex
ALICE Detektor: Quark-Gluon-Plasma in Pb-Pb-Kollisionen, …

16 Supraleitende Doppel-Dipolmagnete im LHC-Tunnel
L  15 m, M  30 t, B  8.33 T Magnetische energie: 10 GJ Temperatur: 1.9 K Kühlung: superfluides Helium 170 kW Kryogenik 93 Tonnen Helium-Vorrat 40000 t kalte Masse im Tunnel

17 400 MHz HF-Resonatoren (supraleitend)
… und viel mehr: HF für Beschleunigung 7000 Magnete mit 1700 Stromversorgungen Strahldiagnostik Kollimatoren Rückkopplungs-Systeme Maschinensicherheitssysteme Strahl-Entsorgung Computing / Kontrollsystem zentral betrieben von wenigen Operateuren …

18 CERN Control Centre

19 Das Detektorprinzip Suche charakteristische Signatur von Higgs / Dunkle Materie / …

20 H  Z Z in CMS e e q q e e jet

21 ATLAS Pixel Detektor

22 Auslesechips direkt auf Pixelsensoren gelötet
ATLAS Pixel- Detektor 8107 elektronische Kanäle Auslesechips direkt auf Pixelsensoren gelötet 20 m

23 ALICE Zeit-Projektions-Spurkammer

24 ALICE Zeit-Projektions-Spurkammer
Auslese-Elektroden

25 LHCb RICH Detektor elektronische Auslesekanäle HPD

26 CMS Kristall-Kalorimeter
2.2 x 2.2 cm2 23 cm PbWO4-Kristalle 76000 PbWO4 Kristalle APD/VPT-Auslese APDs

27 Die Daten Typischer Informationsfluss pro Detektor: Elektronische Kanäle 108 Bytes pro Kanal 1 Kollisionen pro Sekunde 4107  1015 Bytes/s  restriktive Trigger  Datenkompression

28 Prinzip der Trigger 25 ns 109 pp-Stöße pro Sekunde
Discovery Events H  e e jet jet etc. 109 pp-Stöße pro Sekunde „weich“  behalte wenige ≲ 106 harte Stöße/s  behalte einige ≲ 1 Stoß pro Stunde  behalte möglichst alle

29 Auslese-Pufferspeicher
40 MHz Hardware Trigger 75 kHz 120 GB/s 3 GB/s Auslese-Pufferspeicher 200 Hz Mehrstufige Software-Trigger tausende von Multi-CPU-PCs 300 MB/s 1 Petabyte pro Jahr Massenspeicher

30 Data Processing & Physics Analysis
GRID-Computing Data Processing & Physics Analysis 140 institutes 35 countries 7000 users Dynamic data management and job scheduling in a world wide computing network

31 … LHC Computing Grid CERN D Tier 0 11 Tier 1s (Ka) USA (2) 130 Tier 2s
data archive initial processing 130 Tier 2s in 33 countries D USA (2) Taiwan … re-processing data-intensive analysis end-user analysis simulation DESY München Freiburg Aachen Tier 3s local clusters at Universities ... Univ. 1 Univ. 2 Univ. 3 (Ka) Tier 0

32 CERN Tier 0 Centre

33 Organisation und Management
2000 Physiker + Ingenieure pro Experiment

34 Funktioniert ohne hirarchische Weisungsbefugnis
ATLAS Organization (upper levels) ATLAS Plenary Meeting Collaboration Board Resources Review Board Spokesperson Technical Co-ordinator Resources Executive Board CB Chair Advisory Group Inner Detector Tile Calorimeter Magnet System Computing Co-ordination Electronics LAr Calorimeter Muon Instrum. Trigger/DAQ Physics Additional Members Funktioniert ohne hirarchische Weisungsbefugnis

35 … ist aber auch harte Arbeit!
Physik macht Spaß! … ist aber auch harte Arbeit!