European Masterclasses 2007 Teilchenbeschleuniger&Detektoren

Mikroskopische Schwarze Löcher Zentrale Aussagen: - Arbeitshypothese: es gibt mikroskopisch kleine schwarze Löcher mit der Masse von 1 TeV = 1000 Protonenmassen - sie werden etwa bei jeder 1,000,000,000sten Kollision zweier Protonen erzeugt (wenn Protonen genug Energie besitzen) - sie zerfallen (u.a.) unmittelbar nach ihrer Erzeugung in hochenergetische Elektronen und Photonen Gibt es diese Objekte? (Wie) kann man diese Idee überprüfen?

Beschleuniger (1) Erster Schritt: Produzieren des schwarzen Loches: Wir benötigen die Energie von 1000 Protonenmassen! Einfach: man nimmt 1000 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 Geschwindigkeit (γ 4 /r 2 ). 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: November 2007 (Mitte 2008 bei voller Energie) Leistung: 120 MW Temperatur der supraleitenden Magneten: 1.9K (kälter als das Weltall).

2ter 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!

unser schwarzes Loch (simuliert)

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.

Analyse Die (gefilterten) Daten von den beiden grossen Experimenten CMS und ATLAS zusammen machen ungefähr 400 MB/s aus. Auf eine CD passen etwa 600 MB. Ein Jahr besteht aus ungefähr 30 Millionen Sekunden. Danach stehen die Daten auf vielen Rechenzentren weltweit den Physikern zur Verfügung, die dann nach dem Higgs, nach mikroskopischen schwarzen Löchern, oder nach dunkler Materie suchen können (geschätzte 96% der Energie und Materie des Universums sind uns noch unbekannter Natur!) Dabei gehen sie ähnlich vor wie ihr am Nachmittag in den Űbungen. ENDE