Elemetarteilchenphysik am Large Hadron Collider (CERN) Die spannendsten Fragen der modernen Grundlagenforschung Thomas Lohse Humboldt-Universität zu Berlin Informationsveranstaltung der jDPG, 28.08.2009

Das Standardmodell H Higgs …und Antimaterie

Das Standardmodell Ursprung der Massen? elektromagnetische Kraft (Photon) H Higgs Atomkerne starke Kraft (Gluon) schwache Kraft aus radioaktiven Zerfällen HIGGS BOSON Atomhüllen Ursprung der Massen?

Zähigkeit  Teilchenmasse Peter Higgs Das Higgs-Teilchen Higgs-Kraftfeld erfüllt das Universum Teilchen spüren Higgs-Feld als zähes Medium Zähigkeit hängt von Teilchentyp ab ... Zähigkeit  Teilchenmasse Problem: Higgs-Teilchen hat selbst große Masse.  Herstellung erfordert LHC-Energie.

Higgs-Felder in Sozialstrukturen ... ein Bankett auf einer Physik-Konferenz

Higgs-Felder in Sozialstrukturen ... ein berühmter Physiker kommt herein

Higgs-Felder in Sozialstrukturen ... je berühmter, desto zäher sein Fortkommen, desto größer seine effektive Masse

Das Weltall – Unendliche Weiten Doch! Wir kennen mal gerade 4%! 22% Dunkle Materie 74% Dunkle Energie 4% Materie des Standardmodells Das Weltall – Unendliche Weiten Ist da sonst gar nichts mehr?

 Eine Evidenz (von vielen) für Dunkle Materie r v(r) Galaxien-Rotationskurven v(r) r Galaxiemasse M  Dunkle-Materie-Teilchen  Supersymmetrie ? > 3 Raumdimensionen ?

Der LHC Beschleunigerkomplex

Der LHC Beschleunigerkomplex 27 km Umfang Kollisionen von 7 TeV Protonen 2  2800 Pakete mit je 1011 Protonen t  25 ns zwischen Paket-Kollisionen

Der LHC Beschleunigerkomplex ATLAS-Detektor: Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …

Der LHC Beschleunigerkomplex CMS-Detektor: Higgs, Dunkle Materie, Extra Dimensionen, …

Der LHC Beschleunigerkomplex LHCb-Detektor: Materie/Antimaterie-Asymmetrie, …

Der LHC Beschleunigerkomplex ALICE Detektor: Quark-Gluon-Plasma in Pb-Pb-Kollisionen, …

Supraleitende Doppel-Dipolmagnete im LHC-Tunnel L  15 m, M  30 t, B  8.33 T Magnetische energie: 10 GJ Temperatur: 1.9 K Kühlung: superfluides Helium 170 kW Kryogenik 93 Tonnen Helium-Vorrat 40000 t kalte Masse im Tunnel

400 MHz HF-Resonatoren (supraleitend) … und viel mehr: HF für Beschleunigung 7000 Magnete mit 1700 Stromversorgungen Strahldiagnostik Kollimatoren Rückkopplungs-Systeme Maschinensicherheitssysteme Strahl-Entsorgung Computing / Kontrollsystem zentral betrieben von wenigen Operateuren …

CERN Control Centre

Das Detektorprinzip Suche charakteristische Signatur von Higgs / Dunkle Materie / …

H  Z Z in CMS e e q q e e jet

ATLAS Pixel Detektor

Auslesechips direkt auf Pixelsensoren gelötet ATLAS Pixel- Detektor 8107 elektronische Kanäle Auslesechips direkt auf Pixelsensoren gelötet 20 m

ALICE Zeit-Projektions-Spurkammer

ALICE Zeit-Projektions-Spurkammer 550000 Auslese-Elektroden

LHCb RICH Detektor 500000 elektronische Auslesekanäle HPD

CMS Kristall-Kalorimeter 2.2 x 2.2 cm2 23 cm PbWO4-Kristalle 76000 PbWO4 Kristalle APD/VPT-Auslese APDs

1001011101110010000111010101001011100100101001000110011101001010111101001110010010010010010010011100101011001010011000010101001001001001001010010010011110010001110111111001100001010100010011101001001110010010011100101011010011100100100101001001010100 Die Daten Typischer Informationsfluss pro Detektor: Elektronische Kanäle 108 Bytes pro Kanal 1 Kollisionen pro Sekunde 4107  1015 Bytes/s  restriktive Trigger  Datenkompression

Prinzip der Trigger 25 ns 109 pp-Stöße pro Sekunde Discovery Events H  e e jet jet etc. 109 pp-Stöße pro Sekunde „weich“  behalte wenige ≲ 106 harte Stöße/s  behalte einige ≲ 1 Stoß pro Stunde  behalte möglichst alle

Auslese-Pufferspeicher 40 MHz Hardware Trigger 75 kHz 120 GB/s 3 GB/s Auslese-Pufferspeicher 200 Hz Mehrstufige Software-Trigger tausende von Multi-CPU-PCs 300 MB/s 1 Petabyte pro Jahr Massenspeicher

Data Processing & Physics Analysis GRID-Computing Data Processing & Physics Analysis 140 institutes 35 countries 7000 users Dynamic data management and job scheduling in a world wide computing network

… LHC Computing Grid CERN D Tier 0 11 Tier 1s (Ka) USA (2) 130 Tier 2s data archive initial processing 130 Tier 2s in 33 countries D USA (2) Taiwan … re-processing data-intensive analysis end-user analysis simulation DESY München Freiburg Aachen Tier 3s local clusters at Universities ... Univ. 1 Univ. 2 Univ. 3 (Ka) Tier 0

CERN Tier 0 Centre

Organisation und Management 2000 Physiker + Ingenieure pro Experiment

Funktioniert ohne hirarchische Weisungsbefugnis ATLAS Organization (upper levels) ATLAS Plenary Meeting Collaboration Board Resources Review Board Spokesperson Technical Co-ordinator Resources Executive Board CB Chair Advisory Group Inner Detector Tile Calorimeter Magnet System Computing Co-ordination Electronics LAr Calorimeter Muon Instrum. Trigger/DAQ Physics Additional Members Funktioniert ohne hirarchische Weisungsbefugnis

… ist aber auch harte Arbeit! Physik macht Spaß! … ist aber auch harte Arbeit!