Galaxiencluster, dunkle Materie und der LHC

Dunkle Materie August 2006: NASA Finds Direct Proof of Dark Matter

dunkle Materie Materie

Gravitational Lensing Gravitationslinseneffekt

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 wissen bereits, 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 (> 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 Tausendfaches wiegt, muss man es auf 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 Leistung: 120 MW Temperatur der supraleitenden Magneten: 1.9K (kälter als das Weltall).

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

CMS Tracker

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!

Und dann noch einen Tracker, der Muonspuren aufzeichnet!

Fertig ist der Detektor!

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

BACKUP

Datenmengen Ein bisschen Rechnen: wir würden ein schwarzes Loch bei jeder milliardsten Kollision produzieren. Wir wollen aber viele schwarze Löcher (wenn es sie gibt), um gute statistische Aussagen machen zu können. Bei LHC kollidieren Protonen gleichzeitig, und das 40 Millionen mal pro Sekunde. Das ergäbe also ein schwarzes Loch pro Sekunde, oder 10 Tage um 1 Million schwarze Löcher zu produzieren. Aber: jedes Ereignis, jedes Bild braucht (roh) ca. 25 MB. 25 MB * 40,000,000 s -1 = 1000 Terabyte (1 Million Gigabyte) pro Sekunde! Wir müssen also komprimieren, filtern und die Daten auf viele Rechner verteilen!

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