dunkle Materie und der LHC Galaxien, dunkle Materie und der LHC

“Etwas fehlt” Die Astronomen haben aber ein Problem: Wie schnell sich ein Stern in einer Galaxie um das Galaxienzentrum dreht, seine Rotationsgeschwindigkeit, ist abhängig davon, wie stark der Stern vom Zentrum angezogen wird. Je mehr Masse in der Galaxie, desto stärker die Anziehung, und umso schneller die Rotation des Sternes. (Zentrifugalkraft und gravitative Anziehung muessen im Gleichgewicht sein)‏ Die Astronomen haben aber ein Problem:

“Etwas fehlt” So schnell bewegen sich die Sterne So schnell “sollten” sie sich bewegen – ohne “dunkler Materie”.

“Etwas fehlt” Die Sterne in den Galaxien (auch in unserer) bewegen sich zu schnell! Anders gesagt, es gibt, so scheint es, sehr viel “dunkle Materie” in den Galaxien, die wir noch nicht verstehen!

“Es fehlt noch mehr” Es gibt aber noch einige weitere astronomische Beobachtungen, die auf dunkle Materie hindeuten. Crash zweier Galaxiencluster Gravitationslinseneffekt - wir sehen eine Galaxie doppelt.

Dunkle Materie (2)‏ Es darf also angenommen werden, dass “dunkle Materie” existiert. Doch was ist sie, woraus besteht sie? Kann sie auf der Erde hergestellt werden? Wir hoffen (und erwarten), dass die Teilchenphysik die Antworten wird liefern koennen. Wir vermuten, dass ein Dunkle-Materie-Teilchen mindestens die Masse von 50 Protonen besitzen muss. Wie kann ich dunkle Materie also hier auf der Erde nachweisen?

Mit einem Teilchenbeschleuniger!

Beschleuniger (1)‏ Erster Schritt: Produzieren des Teilchens: Wir benötigen die Energie von mindestens 50 Protonenmassen! Einfach: man nimmt 100 Protonen und schiesst sie gegen eine Wand? Besser: man nimmt zwei PKWs (> 1029 Protonen) und lässt sie gegeneinander fahren? (oder ein PKW gegen eine Wand?)‏

Beschleuniger (2)‏ Wir brauchen hohe Energiedichten, die ganze Energie in einem Punkt konzentriert! Deshalb müssen wir Elementarteilchen beschleunigen! Mehrere Kandidaten: - Neutronen, Photonen – sind neutral, lassen sich nicht beschleunigen, - (Anti-)Elektronen – gut, sind aber sehr leicht, - (Anti-)Muonen – gut, schwerer als Elektronen, zerfallen aber, - (Anti-)Protonen – gut, sind schwer, aber zusammengesetzte Teilchen. Damit ein Proton sein Hundertfaches wiegt, muss man es auf 0.9999-fache Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. CERN produziert “Antimaterie” (Positronen, Antiprotonen, Antiwasserstoff)‏ jedoch nur sehr wenig – viel, viel weniger als ein Gramm!

Beschleuniger (3)‏ Zwei Arten von Beschleunigern: Linearbeschleuniger und Ringbeschleuniger. Ringbeschleuniger: Beispiel LEP/LHC. Vorteil: ringförmig :-)‏ Nachteil: “Synchrotronstrahlung” (Teilchen müssen immer “zur Mitte” beschleunigt werden) = eine Funktion der Masse. Protonen! Linearbeschleuniger: Beispiel ILC. Vorteil: keine Synchrotronstrahlung! Elektronen!

LHC LHC

LHC (2)‏

Linearbeschleuniger ILC

Der LHC in Zahlen Umfang: ca. 30 km Geschwindigkeit: fast Lichtgeschwindigkeit (300,000 km/s)‏ Anzahl der Umläufe eines Protons pro Sekunde: ca 10,000 Beginn des Designs: 1984 Geplanter Start: Juli 2008 (naja…) Leistung: 120 MW (im Betrieb) Temperatur der supraleitenden Magneten: 1.9K (kälter als das Weltall), 8.33T

LHC Beam LHC Beam Energie: ~700 MJ Beam-Leistung: ~10 TW (world energy production is ~13 TW) Kinetische Energie der Geschosse eines grossen Schlachtschiffes: ~300 MJ USS New Jersey (BB-62) 16”/50 guns firing

Zweiter Schritt: Nachweis der Teilchen Wir brauchen: eine Apparatur, die von möglichst allen stabilen Teilchen - die Art der Teilchen, - ihre Impulse, - ihre Ladung - und Energie misst.

Kamera Im innersten Teil eines solchen Detektors verwenden wir meist eine Art “Digitalkamera”: Chip einer Digitalkamera

Von den Signalen, die eine geladene Spur im “Tracker” hinterlässt, kann man auf die Spur “zurückrechnen”.

Kalorimeter ... Kristalle (Szintillatoren) zum Messen der Energie ...

Kalorimeter ... für Elektronen und Photonen ... (“elektromagnetisches Kalorimeter”)‏

Kalorimeter ... so wie für Hadronen und hadronische Jets (“Quarks”)‏

Magnetfeld ... und ein Magnetfeld, in dem sich die Teilchenbahnen krümmen, und dadurch ihr Impuls messbar wird!

Eigenschaften des CMS Magneten Magnetfeld: 4T (100.000 Erdmagnetfeld) Gespeicherte Energie: 2.7 GJ (schmilzt 18T Gold) Temperatur: 4.2K Eingebettet in Al Laenge: 16m Gewicht: 1200t

Und dann noch einen “Tracker”, der Muonspuren aufzeichnet!

Fertig ist der Detektor!

Bild eines simulierten Ereignisses – eines Dunklen-Materie-Teilchens?

Filter Farm und das Grid Ein paar tausend Linux-Computer filtern die Ereignisse, bis nur noch 100-200 MB/s (pro Experiment!) übrig bleiben. Diese Ereignisse werden über das “Grid” weltweit verteilt, und den Physikern verfügbar gemacht.