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Sehr geehrte Lehrkräfte, diese Präsentation bietet Erklärungen und Grafiken rund um teilchenphysikalische Forschung und Anwendungen der Teilchenphysik.

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Präsentation zum Thema: "Sehr geehrte Lehrkräfte, diese Präsentation bietet Erklärungen und Grafiken rund um teilchenphysikalische Forschung und Anwendungen der Teilchenphysik."—  Präsentation transkript:

1 Sehr geehrte Lehrkräfte, diese Präsentation bietet Erklärungen und Grafiken rund um teilchenphysikalische Forschung und Anwendungen der Teilchenphysik. Einige Folien sind animiert, um schrittweise Erklärungen zu ermöglichen. Bitte beachten Sie auch die Notizen zu den einzelnen Folien; diese sind in PowerPoint in der Notizenansicht oder in der Normalansicht unten rechts sichtbar. Die Notizen enthalten Erklärungen zu den Grafiken, Anregungen für Aktivitäten und Verweise zu weiterführenden Informationen. Viel Spaß wünscht das Teilchenwelt-Team 1

2 Teilchenphysik Forschung und Anwendungen 2

3 Inhalt CERN und LHC4 Teilchenbeschleuniger7 Teilchenkollisionen9 Kosmologie13 Anwendungen der Teilchenphysik16 3

4 Das größte Teilchenphysik-Forschungszentrum der Welt im Grenzgebiet zwischen der Schweiz und Frankreich Das CERN ( Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) 4

5 Ein 27 km langer, ringförmiger Teilchenbeschleuniger 4 Teilchen-Detektoren: ATLAS, ALICE, CMS und LHC-b Der LHC (Large Hadron Collider) 5

6 Protonen kreisen in entgegengesetzten Richtungen mit einer Energie von je 4 Tera-Elektronenvolt (TeV). Wenn die Protonen zusammenstoßen, entstehen neue Teilchen, die man in Detektoren nachweist. Was geschieht im LHC? 6

7 α -Strahler Detektor Goldfolie Wozu Teilchenbeschleuniger? Strukturuntersuchungen Rutherford-Streuexperiment (1911) Streuung von α -Teilchen an Goldatomen Atomkern Experiment am SLAC (1969) Streuung von Elektronen an Protonen Quarks 7

8 Bei Teilchenkollisionen wandelt sich ein Teil der Bewegungsenergie in Masse um So werden völlig neue Teilchen erzeugt Diese waren vorher keine Bestandteile der Protonen! Manchmal entstehen auch exotische Teilchen…! Wozu Teilchenbeschleuniger? Erzeugung massereicher Teilchen 8

9 2 gegenläufige Protonenstrahlen …mit je 1400 Teilchenpaketen 100 Milliarden Protonen pro Paket 20 Millionen Paket-Kreuzungen pro Sekunde… …mit je etwa 30 Kollisionen ca. 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde! Teilchenkollisionen im LHC Teilchenpakete Protonen Quarks, Gluonen 9

10 Teilchenkollisionen im LHC 600 Mio. Kollisionen pro Sekunde! Warum? Interessante Teilchen entstehen sehr selten: ca. 1x pro Kollisionen! Welche Teilchen bei einer bestimmten Kollision entstehen, ist vom Zufall bestimmt Man kann nur vorhersagen, wie häufig welche Teilchenkombinationen vorkommen werden Vergleich der Messergebnisse mit Vorhersagen aus dem Standardmodell der Teilchenphysik und anderen Theorien 10

11 ±1σ ±2σ Warum so viele Kollisionen? Existiert das Higgs-Boson oder nicht? Ist der Würfel manipuliert oder nicht? Daten Erwartung 11

12 Wohin mit so vielen Daten? 20 Mio. Protonenpaket-Kreuzungen pro Sekunde Detektoren weisen die entstandenen Teilchen nach einige MB pro Ereignis …das wären mehrere Terabyte pro Sekunde! Datenreduktion notwendig "Trigger": automatische Auswahl interessanter Messdaten etwa 1000 Ereignisse/s bleiben übrig Verteilung der Daten auf ca Rechner in 34 Ländern (LHC-Grid) …etwa 15 Petabyte/Jahr! 12

13 Die Geschichte des Universums Zeit heute 14·10 9 Jahre Energie 100 GeV 150 MeV 1 eV1 meV0,25 meV10 13 TeV LHC-Energie 13 Urknall Sterne entstehen 10 9 Jahre Atome entstehen Jahre 0,1 MeV s Kräfte nehmen heutige Form an s Inflationäre Expansion Atomkerne entstehen 3 min Nukleonen entstehen s

14 Was wäre, wenn Elementarteilchen andere Massen hätten? Die Geschichte des Universums 14

15 Atomare Materie: 5% Dunkle Materie: 27% Dunkle Energie: 68% Was ist Dunkle Materie? Beobachtungen zeigen, dass es nicht nur atomare Materie geben kann: Galaxien rotieren zu schnell: Viel mehr Materie wäre nötig! Die Strukturen von Galaxienhaufen sind nur mit viel mehr Materie zu erklären. Es muss eine bisher unbekannte Materieform geben: Dunkle Materie. Das Universum dehnt sich heute schneller aus als früher. Etwas beschleunigt die Ausdehnung des Universums: Dunkle Energie. Der größte Teil des Universums besteht aus Dunkler Materie und Dunkler Energie! Am CERN sucht man nach Teilchen, aus denen Dunkle Materie bestehen könnte. 15

16 Das World Wide Web Erfunden 1989 am CERN von Tim Berners-Lee Methode, um schnell und einfach wissenschaftliche Daten auszutauschen Erster Webserver lief am CERN 16

17 Positronen-Emissions-Tomografie PET: Ein bildgebendes Verfahren für die Medizin Patienten wird eine spezielle Zuckerlösung gespritzt Diese enthält ein Fluor-Isotop, das Positronen abstrahlt (β + - Strahler) Zucker sammelt sich in Gewebe, das viel Energie benötigt, besonders in Tumorgewebe Positronen und Elektronen zerstrahlen in zwei Photonen Detektoren registrieren die Photonen Eine Software berechnet den Ursprungsort der Photonen… … und setzt daraus ein Bild zusammen Detektoren β + - Strahler 17

18 Vorteil gegenüber Bestrahlung mit Elektronen oder Photonen: Eindringtiefe einstellbar, genaue Fokussierung auf den Tumor möglich es werden mehr Tumorzellen als gesunde Zellen zerstört gut für tiefliegende Tumore geeignet geringere Dosis nötig Nachteile: hohe Kosten, großer Beschleuniger nötig Tumortherapie mit Hadronen Photonen Kohlenstoff-Ionen 18

19 Impressum Herausgeber: Netzwerk Teilchenwelt – Kontextmaterialien, Universität Würzburg; Autor: Manuela Kuhar, Fabian Kuger Bildnachweis: CERN: 4,5,6,9,16 Netzwerk Teilchenwelt: 7,8 Wikipedia (Sundance Raphael): 7 LEIFI Physik, 7 ATLAS collaboration: 10,11,12 Jochen Stuhrmann/GEO/picture press: 13 NASA: 14 Wikipedia (Jens Langner): 17 GSI:


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