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Sehr geehrte Lehrkräfte,

Sehr geehrte Lehrkräfte, diese Präsentation bietet Erklärungen und Grafiken rund um teilchenphysikalische Forschung und Anwendungen der Teilchenphysik.

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Presentation Transcript

  1. Sehr geehrte Lehrkräfte, diese Präsentation bietet Erklärungen und Grafiken rund um teilchenphysikalische Forschung und Anwendungen der Teilchenphysik. Einige Folien sind animiert, um schrittweise Erklärungen zu ermöglichen. Bitte beachten Sie auch die Notizen zu den einzelnen Folien; diese sind in PowerPoint in der Notizenansicht oder in der Normalansicht unten rechts sichtbar. Die Notizen enthalten Erklärungen zu den Grafiken, Anregungen für Aktivitäten und Verweise zu weiterführenden Informationen. Viel Spaß wünscht das Teilchenwelt-Team 1

  2. Teilchenphysik Forschung und Anwendungen 2

  3. 3

  4. Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) Das größte Teilchenphysik-Forschungszentrum der Welt im Grenzgebiet zwischen der Schweiz und Frankreich 4

  5. Der LHC (Large HadronCollider) Ein 27 km langer, ringförmiger Teilchenbeschleuniger 4 Teilchen-Detektoren: ATLAS, ALICE, CMS und LHC-b 5

  6. Was geschieht im LHC? • Protonen kreisen in entgegengesetzten Richtungen mit einer Energie von je 4 Tera-Elektronenvolt (TeV). • Wenn die Protonen zusammenstoßen, entstehen neue Teilchen, die man in Detektoren nachweist. 6

  7. Wozu Teilchenbeschleuniger? Strukturuntersuchungen α-Strahler Goldfolie Detektor Rutherford-Streuexperiment (1911) Streuung von α-Teilchen an Goldatomen  Atomkern Experiment am SLAC (1969) Streuung von Elektronen an Protonen  Quarks 7

  8. Wozu Teilchenbeschleuniger? Erzeugung massereicher Teilchen • Bei Teilchenkollisionen wandelt sich ein Teil der Bewegungsenergie in Masse um • So werden völlig neue Teilchen erzeugt • Diese waren vorher keine Bestandteile der Protonen! • Manchmal entstehen auch exotische Teilchen…! 8

  9. Teilchenkollisionen im LHC • 2 gegenläufige Protonenstrahlen • …mit je 1400 Teilchenpaketen • 100 Milliarden Protonenpro Paket • 20 Millionen Paket-Kreuzungen pro Sekunde… • …mit je etwa 30 Kollisionen  ca. 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde! Teilchenpakete Protonen Quarks, Gluonen

  10. Teilchenkollisionen im LHC • 600 Mio. Kollisionen pro Sekunde! Warum? • „Interessante“ Teilchen entstehen sehr selten: ca. 1x pro 1010 Kollisionen! • Welche Teilchen bei einer bestimmten Kollision entstehen, ist vom Zufall bestimmt • Man kann nur vorhersagen, wie häufig welche Teilchenkombinationen vorkommen werden • Vergleich der Messergebnisse mit Vorhersagen aus dem Standardmodell der Teilchenphysik und anderen Theorien 10

  11. Warum so viele Kollisionen? Ist der Würfel manipuliert oder nicht? Daten Erwartung ±1σ ±2σ Existiert das Higgs-Boson oder nicht? 11

  12. Wohin mit so vielen Daten? • 20 Mio. Protonenpaket-Kreuzungen pro Sekunde • Detektoren weisen die entstandenen Teilchen nach • einige MB pro Ereignis • …das wären mehrere Terabyte pro Sekunde! • Datenreduktion notwendig • "Trigger": automatische Auswahl interessanter Messdaten • etwa 1000 Ereignisse/s bleiben übrig • Verteilung der Daten auf ca. 200000 Rechner in 34 Ländern (LHC-Grid) • …etwa 15 Petabyte/Jahr! 12

  13. Die Geschichte des Universums Urknall Kräfte nehmen heutige Form an Atomkerne entstehen Sterne entstehen Nukleonen entstehen Atome entstehen Inflationäre Expansion heute 109 Jahre 376 000 Jahre 14·109 Jahre Zeit 10-10s 10-35s 10-5s 3 min Energie 150 MeV 1013TeV 100 GeV 1eV 1meV 0,25meV 0,1MeV 13 LHC-Energie

  14. Die Geschichte des Universums • Was wäre, wenn Elementarteilchen andere Massen hätten? http://www.tricklabor.com/de/portfolio/was-waere-wenn/ 14

  15. Was ist Dunkle Materie? • Beobachtungen zeigen, dass es nicht nur atomare Materie geben kann: • Galaxien rotieren zu schnell: Viel mehr Materie wäre nötig! • Die Strukturen von Galaxienhaufen sind nur mit viel mehr Materie zu erklären. • Es muss eine bisher unbekannte Materieform geben: Dunkle Materie. • Das Universum dehnt sich heute schneller aus als früher. • Etwas beschleunigt die Ausdehnung des Universums: Dunkle Energie. • Der größte Teil des Universums besteht aus Dunkler Materie und Dunkler Energie! • Am CERN sucht man nach Teilchen, aus denen Dunkle Materie bestehen könnte. Dunkle Energie: 68% Dunkle Materie: 27% Atomare Materie: 5% 15

  16. Das World Wide Web • Erfunden 1989 am CERN von Tim Berners-Lee • Methode, um schnell und einfach wissenschaftliche Daten auszutauschen • Erster Webserver lief am CERN 16

  17. Positronen-Emissions-Tomografie • PET: Ein bildgebendes Verfahren für die Medizin • Patienten wird eine spezielle Zuckerlösung gespritzt • Diese enthält ein Fluor-Isotop, das Positronen abstrahlt (β+- Strahler) • Zucker sammelt sich in Gewebe, das viel Energie benötigt, besonders in Tumorgewebe • Positronen und Elektronen zerstrahlen in zwei Photonen • Detektoren registrieren die Photonen • Eine Software berechnet den Ursprungsort der Photonen… • … und setzt daraus ein Bild zusammen Detektoren β+- Strahler 17

  18. Tumortherapie mit Hadronen • Vorteil gegenüber Bestrahlung mit Elektronen oder Photonen: • Eindringtiefe einstellbar, genaue Fokussierung auf den Tumor möglich • es werden mehr Tumorzellen als gesunde Zellen zerstört • gut für tiefliegende Tumore geeignet • geringere Dosis nötig • Nachteile: hohe Kosten, großer Beschleuniger nötig Photonen Kohlenstoff-Ionen 18

  19. Impressum • Herausgeber: Netzwerk Teilchenwelt – Kontextmaterialien, • Universität Würzburg; material@teilchenwelt.de • Autor: Manuela Kuhar, Fabian Kuger • Bildnachweis: • CERN: 4,5,6,9,16 • Netzwerk Teilchenwelt: 7,8 • Wikipedia (Sundance Raphael): 7 • LEIFI Physik, www.leifiphysik.de: 7 • ATLAS collaboration: 10,11,12 • Jochen Stuhrmann/GEO/picture press: 13 • NASA: 14 • Wikipedia (Jens Langner): 17 • GSI: 18 http://www.teilchenwelt.de/service/impressum 19

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