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CERN: Was ? Warum ? Wie ?. Was –Dienstleistungsbetrieb für Grundlagenforschung –Akademische Institution –Einige Zahlen Warum –Struktur der Materie –Fundamentale.

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Präsentation zum Thema: "CERN: Was ? Warum ? Wie ?. Was –Dienstleistungsbetrieb für Grundlagenforschung –Akademische Institution –Einige Zahlen Warum –Struktur der Materie –Fundamentale."—  Präsentation transkript:

1 CERN: Was ? Warum ? Wie ?

2 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: Was ? Warum ? Wie ?

3 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 Dienstleistungsbetrieb

4 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

5 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 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

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7 Gegenwärtig baut CERN den Large Hadron Collider (LHC)

8 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

9 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).

10 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

11 J.J. Thomson 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. Der Beginn der Teilchenphysik

12 Ernest Rutherford 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 particles target (very thin Gold foil) fluorescent screen Detector (human eye) Atome ( m) bestehen aus einem extrem kleinen Kern ( m) um welchen die elektronen Kreisen.

13 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 !

14 Optisches Mikroskop Sichtbares Licht m Radioaktive Quelle Alpha teilchen m LEP Beschleuniger Elektronen m LHC Beschleuniger: mal kleinere Details ! Die Struktur der Materie ?

15 COMPASS Experiment am CERN

16 Die Struktur der Materie ?

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18 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 70iger Jahre

19 e+ e- Z0Z0 Masse = 0.5MeV Masse = MeV P= MeV/c E=mc 2 e+, e- Kollisonen am Large Electron Positron Collider ( )

20 CERN ist eine Teilchenfabrik – erhöht man die Energie des Beschleunigers dringt man in neue Bereiche der Teilchenwelt vor … Aleph Experiment am LEPSimulation eines LHC events Aus ca. 1 Million Messpunkten

21 Entdeckung des Z Teilchens (1984)

22 Das Standardmodell der Teilchenphysik: ????? Materie (+Antimaterie) Kräfte Bei LEP ( ) mit 0.01% Genauigkeit getestet und für perfekt befunden. LEP 3 Teilchenfamilien Higgs Teilchen, verantworlich für die Masse der Quarks und Leptonen.

23 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

24 Teilchenphysik dominiert das Geschehen in den ersten Sekunden des Universums

25 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 ein 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

26 Grundlagenforschung als Motor der Angewandten Forschung: Spin-Off 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 !) Zusätzlich zur Funktion als Ausbildungsort und Akademische Institution:

27 Der Beschleunigerkomplex des CERN PS (1960) SPS (1978) ISR (1972) LEP ( ), LHC (ab 2007) CNGs (ab 2006)

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30 LHC: 27km supraleitender Magnete Kühlung mit flüssigem Helium ( C i.e. 1.7K)

31 LHC: 27km supraleitender Magnete 1200 Supraleitende Magneten Ampere

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33 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

34 Das Leben eines LHC-Experimentes Brainstorming Phase –Erste Ideen diskutiert ab –Prototypen-Kollaboration von einigen hundert Physikers –Erste Untersuchungen zur Machbarkeit der Messprinzipien –Erstes Dokument: Expression of Interest Konsolidations-Phase –Gruppierung in zwei Gross-Kollaboration mit mehr als 1000 Mitgliedern –Zwei relative verschiedene experimentelle Strategien auf natürliche Weise ausgearbeitet –Arbeitsprogramm, Budgets ausgearbeitet Entwicklungspase Konstruktionsphase Überraschung –Technische Lösungen konnten gefunden werden –Komplexe Problematik der Super-Kollaborationen (2000 Leute) hat mehr Schwierigkeiten gebracht (unerwartet)

35 Concorde (15 Km) Mt. Blanc (4.8 Km) 1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde Milliarden Kollisionen pro Jahr 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 CD stack with 1 year LHC data! (~ 20 Km) Balloon (30 Km) Daten der LHC Experimente

36 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 Wissenschafter aus aller Welt ihre Forschung am CERN. 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.

37 Technologieentwicklung: Beispiel GRID Brauchen ~ 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.

38 Example of antiproton annihilation at rest in a liquid hydrogen bubble chamber

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40 Das Standardmodell der Teilchenphysik: Bei LEP ( ) mit 0.01% Genauigkeit getestet und für perfekt befunden. LEP 3 Teilchenfamilien ????? Higgs Teilchen, verantworlich für die Masse der Quarks und Leptonen. Materie (+Antimaterie) Kräfte

41 Das Standardmodell der Teilchenphysik:


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