CERN: Was ? Warum ? Wie ?

CERN: Was ? Warum ? Wie ? 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 als Dienstleistungsbetrieb 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 ‘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

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. 6000 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’

Gegenwärtig baut CERN den Large Hadron Collider (LHC)

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’

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).

Aus der Forschung der Chemie wusste man Ende des 19. Jh 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

Der Beginn der Teilchenphysik 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. J.J. Thomson

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 a - particles target (very thin Gold foil) fluorescent screen Detector (human eye) Ernest Rutherford Atome (10-10 m) bestehen aus einem extrem kleinen Kern (10-15 m) um welchen die elektronen Kreisen.

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 !

Optisches Mikroskop Sichtbares Licht 10-6m Radioaktive Quelle Die Struktur der Materie ? Optisches Mikroskop Sichtbares Licht 10-6m Radioaktive Quelle Alpha teilchen 10-14m LEP Beschleuniger Elektronen 10-20m LHC Beschleuniger: 10-100mal kleinere Details !

COMPASS Experiment am CERN

Die Struktur der Materie ? 1900 1911 1932 1967

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

E=mc2 e+, e- Kollisonen am Large Electron Positron Collider (1988-2000) Masse = 90 000 MeV Masse = 0.5MeV Masse = 0.5MeV Z0 e+ e- P=45 000 MeV/c P=45 000 MeV/c

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

Entdeckung des Z Teilchens (1984)

Das ‘Standardmodell’ der Teilchenphysik: Materie (+Antimaterie) Kräfte 1978 1974 1990 1965 Bei LEP (1988-2000) mit 0.01% Genauigkeit getestet und für ‘perfekt’ befunden. LEP  3 Teilchenfamilien 1976 1904 1960 2001 1954 1984 1899 1932 1976 ????? Higgs Teilchen, verantworlich für die Masse der Quarks und Leptonen.

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’

Teilchenphysik dominiert das Geschehen in den ersten Sekunden des Universums

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

Anwendung der Beschleunigertechnik in der Medizin Grundlagenforschung als Motor der Angewandten Forschung: Spin-Off Zusätzlich zur Funktion als Ausbildungsort und Akademische Institution: 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 !)

Der Beschleunigerkomplex des CERN LEP (1988-2000), LHC (ab 2007) SPS (1978) ISR (1972) PS (1960) CNGs (ab 2006)

CNGS

CNGS

LHC: 27km supraleitender Magnete Kühlung mit flüssigem Helium (-271.5 0C i.e. 1.7K)

LHC: 27km supraleitender Magnete 1200 Supraleitende Magneten 11700 Ampere

Die 4 LHC Experimente 30 m Länge; 20 m Durchmesser Benützt einen der stärksten supraleitenden Gross-Magnete der Welt 100 Millionen Messkanäle Starke österreichische Beteiligung: HEPHY 44 m Länge; 22 m Durchmesser Benützt den grössten supraleitenden Magneten der Welt 100 Millionen Messkanäle

Das Leben eines LHC-Experimentes ‘Brainstorming’ Phase Erste Ideen diskutiert ab 1990-1993 Prototypen-Kollaboration von einigen hundert Physikers Erste Untersuchungen zur Machbarkeit der Messprinzipien Erstes Dokument: ‘Expression of Interest’ Konsolidations-Phase 1994-1996 Gruppierung in zwei Gross-Kollaboration mit mehr als 1000 Mitgliedern Zwei relative verschiedene experimentelle Strategien auf ‘natürliche’ Weise ausgearbeitet Arbeitsprogramm, Budgets ausgearbeitet Entwicklungspase 1997-2001 Konstruktionsphase 2002- 2006 Überraschung Technische Lösungen konnten gefunden werden Komplexe Problematik der ‘Super-Kollaborationen’ (2000 Leute) hat mehr Schwierigkeiten gebracht (unerwartet)

Daten der LHC Experimente Balloon (30 Km) Daten der LHC Experimente 1 Milliarde Kollisionen pro Sekunde 100 000 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) Concorde (15 Km) Mt. Blanc (4.8 Km)

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. 6000 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.

Technologieentwicklung: Beispiel GRID Brauchen ~100 000 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.

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

Das ‘Standardmodell’ der Teilchenphysik: Materie (+Antimaterie) Kräfte Bei LEP (1988-2000) mit 0.01% Genauigkeit getestet und für ‘perfekt’ befunden. LEP  3 Teilchenfamilien ????? Higgs Teilchen, verantworlich für die Masse der Quarks und Leptonen.

Das ‘Standardmodell’ der Teilchenphysik: