Das CERN und seine Protonenschleudern Strahlung im Labor....der LHC

1. 1 Das CERN und seine Protonenschleudern Strahlung im Labor....der LHC R�diger Schmidt, CERN November 2004 Saturday Morning Physics TU Darmstadt Tunnel mit einer L�nge von 27 km, in dem der LHC Protonenbeschleuniger eingebaut wird. Der Tunnel auf der linken Seite ist der eigentliche Beschleunigertunnel, der Tunnel auf der rechten Seite wird benutzt, um den LHC Strahl in ein Target auszulenken. Tunnel mit einer L�nge von 27 km, in dem der LHC Protonenbeschleuniger eingebaut wird. Der Tunnel auf der linken Seite ist der eigentliche Beschleunigertunnel, der Tunnel auf der rechten Seite wird benutzt, um den LHC Strahl in ein Target auszulenken.

2. 2 Das CERN wurde 50 Jahre � Tag der offenen T�r Im Hintergrund sieht man einen Ablenkmagneten f�r den LHC Beschleuniger. Es werden 1232 von solchen supraleitenden Magnete gebaut. Innen sieht man 2 Strahlrohre, f�r die beiden Protonenstrahlen, die im Uhrzeigersinn / gegen den Uhrzeigersinn umlaufen.Im Hintergrund sieht man einen Ablenkmagneten f�r den LHC Beschleuniger. Es werden 1232 von solchen supraleitenden Magnete gebaut. Innen sieht man 2 Strahlrohre, f�r die beiden Protonenstrahlen, die im Uhrzeigersinn / gegen den Uhrzeigersinn umlaufen.

3. 3 Von kosmischer Strahlung � zum CERN Links: H�henstrahlung (siehe Vortag von H.Genz) Rechts: Kreisbeschleuniger am CERN. Der grosse Ring ist 27 km lang und wurde bis zum Jahre 2001 f�r LEP (Large Electron Positron Collider) benutzt. Zur Zeit wird der LHC in den Tunnel eingebaut. Der kleine Ring ist das SPS, ein Kreisbeschleuniger f�r Protonen mit einem Umfang von 6.9 km. Im SPS wurden das Z und das W Teilchen zum ersten mal nachgewiesen (1985, Nobelpreis f�r C.Rubbia und S.Van der Meer). Links: H�henstrahlung (siehe Vortag von H.Genz) Rechts: Kreisbeschleuniger am CERN. Der grosse Ring ist 27 km lang und wurde bis zum Jahre 2001 f�r LEP (Large Electron Positron Collider) benutzt. Zur Zeit wird der LHC in den Tunnel eingebaut. Der kleine Ring ist das SPS, ein Kreisbeschleuniger f�r Protonen mit einem Umfang von 6.9 km. Im SPS wurden das Z und das W Teilchen zum ersten mal nachgewiesen (1985, Nobelpreis f�r C.Rubbia und S.Van der Meer).

4. 4 Das CERN ist eine europ�ische Organisation. Hier sieht man die Mitgliedsl�nder des CERN. Allerdings arbeitet das CERN mit Wissenschaftlern vielen L�ndern zusammen. Forscher aus allen Kontinenten f�hren ihre Experimente am CERN durch. Zum LHC tragen ausser den Mitgliedsl�ndern insbesonders die USA, Russland, Japan, Kanada und Indien bei.Das CERN ist eine europ�ische Organisation. Hier sieht man die Mitgliedsl�nder des CERN. Allerdings arbeitet das CERN mit Wissenschaftlern vielen L�ndern zusammen. Forscher aus allen Kontinenten f�hren ihre Experimente am CERN durch. Zum LHC tragen ausser den Mitgliedsl�ndern insbesonders die USA, Russland, Japan, Kanada und Indien bei.

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7. 7 ..weil das World Wide Web dort entwickelt wurde ? ��. Eigentlich nicht Feierstunde zum Jubl�um des WWW, dass am CERN entwickelt wurde. Rechts einer der beiden WWW V�ter, Tim Berner-Lee. Links L.Maiani, Generaldirektor des CERN bi 2003. Links neben Tim Berner-Lee: Kofi Annan.Feierstunde zum Jubl�um des WWW, dass am CERN entwickelt wurde. Rechts einer der beiden WWW V�ter, Tim Berner-Lee. Links L.Maiani, Generaldirektor des CERN bi 2003. Links neben Tim Berner-Lee: Kofi Annan.

8. 8 Woraus besteht unsere Welt? Vom Kleinsten bis zum Gr�ssten �berblick der Gr�ssenordnungen im Universum, vom Kleinsten (SUSY Teilchen und Higgs Teilchen), zum Gr�ssten (Universum). Die SUSY Teilchen und Higgs Teilchen sind noch nicht nachgewiesen worden. M�glicherweise werden diese Teilchen am LHC gefunden.�berblick der Gr�ssenordnungen im Universum, vom Kleinsten (SUSY Teilchen und Higgs Teilchen), zum Gr�ssten (Universum). Die SUSY Teilchen und Higgs Teilchen sind noch nicht nachgewiesen worden. M�glicherweise werden diese Teilchen am LHC gefunden.

9. 9 Eine Reise zur�ck in der Zeit. Das Universum ist aus einem kleinen Gebilde in einem �Urknall� entstanden. Erst nach einer (sehr kurzen) Zeit enstand die Materie wie wir sie heute kennen: Protonen, Neutronen, Atome, .... Noch viel sp�ter enstanden Sterne, Galaxien etc. siehe auch: http://holtz.org/Library/Natural%20Science/Astronomy/Cosmology/Big%20Bang%20by%20Haubold.jpg Eine Reise zur�ck in der Zeit. Das Universum ist aus einem kleinen Gebilde in einem �Urknall� entstanden. Erst nach einer (sehr kurzen) Zeit enstand die Materie wie wir sie heute kennen: Protonen, Neutronen, Atome, .... Noch viel sp�ter enstanden Sterne, Galaxien etc. siehe auch: http://holtz.org/Library/Natural%20Science/Astronomy/Cosmology/Big%20Bang%20by%20Haubold.jpg

10. 10 Was unsere Welt zusammenh�lt : Kr�fte und Wechselwirkungen Zwei Kr�fte (Wechselwirkungen) begegnen uns im Alltag: die Graviation (als Erdanziehungskraft) und die elektromagnetische Kraft (Kraft zwischen Magneten, zwischen Ladungen, zwischen elektrischen Str�men, etc.). Das Verst�ndnis beider Kr�fte sind zur Verst�ndnis unserer Umwelt unabdingbar. Zwei Kr�fte (Wechselwirkungen) begegnen uns im Alltag: die Graviation (als Erdanziehungskraft) und die elektromagnetische Kraft (Kraft zwischen Magneten, zwischen Ladungen, zwischen elektrischen Str�men, etc.). Das Verst�ndnis beider Kr�fte sind zur Verst�ndnis unserer Umwelt unabdingbar.

11. 11 Vom Kleinsten: das Atom Das Atom hat einen Kern der positiv geladen ist, und eine Elektronenh�lle, die negativ geladen ist. Die Protonen im Kern stossen sich durch die elektromagnetische Kraft stark ab. Warum fliegen sie nicht auseinander?Das Atom hat einen Kern der positiv geladen ist, und eine Elektronenh�lle, die negativ geladen ist. Die Protonen im Kern stossen sich durch die elektromagnetische Kraft stark ab. Warum fliegen sie nicht auseinander?

12. 12 Kraft zwischen zwei Protonen Die Gravitation wirkt immer zwischen zwei Massen und bewirkt eine Anziehung. Das sie viel schw�cher ist als die elektrische Abstossung, kann sie nicht erkl�ren, dass die Protonen im Atomkern stabil sind und nicht auseinanderfallen.Die Gravitation wirkt immer zwischen zwei Massen und bewirkt eine Anziehung. Das sie viel schw�cher ist als die elektrische Abstossung, kann sie nicht erkl�ren, dass die Protonen im Atomkern stabil sind und nicht auseinanderfallen.

13. 13 Kraft zwischen zwei Protonen Protonen und Neutronen werden durch die starke Kraft (starke Wechselwirkung) zusammengehalten. Diese Wechselwirkung wird durch Gluonen �bertragen, Teilchen, die an verschiedenen Beschleunigern nachgewiesen wurden. Protonen und Neutronen werden durch die starke Kraft (starke Wechselwirkung) zusammengehalten. Diese Wechselwirkung wird durch Gluonen �bertragen, Teilchen, die an verschiedenen Beschleunigern nachgewiesen wurden.

14. 14 Kr�fte und Teilchen (Wechselwirkungen) Drei Kr�fte sind hier genannt. Die Teilchen, die die Wechselwirkung �bertragen, sind Photonen, Gluonen und Gravitionen. Gravitonen sind biher nicht beobachtet worden. Drei Kr�fte sind hier genannt. Die Teilchen, die die Wechselwirkung �bertragen, sind Photonen, Gluonen und Gravitionen. Gravitonen sind biher nicht beobachtet worden.

15. 15 Lebensdauer von Teilchen Atome: stabil Proton: stabil Neutron: Lebensdauer 10.3 Minuten Freie Neutronen zerfallen in kurzer Zeit in Protonen, Elektronen und (Anti)Neutrinos Neutrinos sind Teilchen ohne Ladung und (fast?) ohne Masse Warum: Schwache Wechselwirkung Protonen sind stabil. Neutronen im Atomkern sind stabil und zerfallen nicht (ausser in instabilen Atomkernen). Wenn ein Neutron aus dem Atomkern ausgel�sst wird, zerf�llt es mit einer Halbwertszeit von etwa 10 Minuten. F�r diesen Zerfall wird die schwache Kraft (besser: schwache Wechselwirkung) verantwortlich gemacht. Protonen sind stabil. Neutronen im Atomkern sind stabil und zerfallen nicht (ausser in instabilen Atomkernen). Wenn ein Neutron aus dem Atomkern ausgel�sst wird, zerf�llt es mit einer Halbwertszeit von etwa 10 Minuten. F�r diesen Zerfall wird die schwache Kraft (besser: schwache Wechselwirkung) verantwortlich gemacht.

16. 16 Vier bekannte Naturkr�fte und deren Teilchen Die Teilchen f�r die schwache Wechselwirking sind W und Z (beide mit Beschleuignern nachgewiesen), und Higgs (noch nicht nachgewiesen). Die schwache Kraft ist f�r die Radioaktivit�t, den Neutronenzerfall, die Wechselwirking von Neutrinos verantwortlich. Sie ist n�tig, um zu verstehen, wie die Sonne als Energiequelle funktioniert.Die Teilchen f�r die schwache Wechselwirking sind W und Z (beide mit Beschleuignern nachgewiesen), und Higgs (noch nicht nachgewiesen). Die schwache Kraft ist f�r die Radioaktivit�t, den Neutronenzerfall, die Wechselwirking von Neutrinos verantwortlich. Sie ist n�tig, um zu verstehen, wie die Sonne als Energiequelle funktioniert.

17. 17 Im LHC werden Protonen zur Kollision gebracht werden. Dabei entsteht eine ungeheure Energiedichte, sowie sie ganz kurze Zeit nach dem Urknall vorhanden war. Die Energiedichte (und Temperatur) sind gross genug, um Teilchen zu beobachten, die im heutigen Universum normalerweise nicht vorkommen.Im LHC werden Protonen zur Kollision gebracht werden. Dabei entsteht eine ungeheure Energiedichte, sowie sie ganz kurze Zeit nach dem Urknall vorhanden war. Die Energiedichte (und Temperatur) sind gross genug, um Teilchen zu beobachten, die im heutigen Universum normalerweise nicht vorkommen.

18. 18 Theoretische Physiker �berlegen und berechnen was beim Urknall wirklich geschah, warum die Welt so aufgebaut ist wie wir sie beobachten und wie die vier Naturkr�fte zusammenh�ngen.Theoretische Physiker �berlegen und berechnen was beim Urknall wirklich geschah, warum die Welt so aufgebaut ist wie wir sie beobachten und wie die vier Naturkr�fte zusammenh�ngen.

19. 19 Heutzutage werden die Rechnungen mit Computern gemacht. Da grosse Rechenleistung n�tig ist, werden viele Computer zu Farmen zusammengeschlossen umd die n�tige Rechenleistung zu erreichen. Heutzutage werden die Rechnungen mit Computern gemacht. Da grosse Rechenleistung n�tig ist, werden viele Computer zu Farmen zusammengeschlossen umd die n�tige Rechenleistung zu erreichen.

20. 20 In der Zukunft denkt man daran, Computer auf der ganzen Welt in ein Netz (�Grid�) einzubinden, um so eine viel gr�ssere Rechenleistung zu bekommen. Am Grid wird sowohl am CERN als auch anderswo wird aktiv gearbeitet. http://gridcafe.web.cern.ch/gridcafe/index.htmlIn der Zukunft denkt man daran, Computer auf der ganzen Welt in ein Netz (�Grid�) einzubinden, um so eine viel gr�ssere Rechenleistung zu bekommen. Am Grid wird sowohl am CERN als auch anderswo wird aktiv gearbeitet. http://gridcafe.web.cern.ch/gridcafe/index.html

21. 21 Wie findet man heraus was wirklich beim Urknall geschah ? Der Experimentalphysiker produziet den Urknall im Labor�.. 1960 CERN Experiment 1960CERN Experiment 1960

22. 22 Wie findet man heraus was wirklich beim Urknall geschah ? Der Experimentalphysiker produziert den Urknall im Labor�. 2004 Halle f�r einen der vier LHC Detektoren (ATLAS). Das Experiment wird zur Zeit eingebaut. Im Hintergrund (blaue runde Struktur) sieht man den Beschleunigertunnel. Die Protonen werden sich etwa in der Mitte der Halle treffen.Halle f�r einen der vier LHC Detektoren (ATLAS). Das Experiment wird zur Zeit eingebaut. Im Hintergrund (blaue runde Struktur) sieht man den Beschleunigertunnel. Die Protonen werden sich etwa in der Mitte der Halle treffen.

23. 23 Rezept f�r einen Urknall Zutaten ein Proton noch ein Proton einen Teilchenbeschleuniger Rezept Die Protonen werden auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt Die Protonen werden weiter beschleunigt��

24. 24 Rezept f�r einen Urknall Zutaten ein Proton noch ein Proton einen Teilchenbeschleuniger Rezept Die Protonen werden auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt Die Protonen werden weiter beschleunigt Die Protonen werden schwerer: die Masse nimmt zu � wenn man das Proton mit einer Spannung von 7000 Milliarden Volt auf 7 TeV beschleunigt � entspricht das einer Masse von 8000 Mal der Masse im Ruhezustand (Ruhemasse)

25. 25 Rezept f�r einen Urknall Zutaten ein Proton noch ein Proton einen Teilchenbeschleuniger Rezept Die Protonen werden auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt Die Protonen werden weiter beschleunigt Die Protonen werden schwerer: die Masse nimmt zu � wenn man das Proton mit einer Spannung von 7000 Milliarden Volt auf 7 TeV beschleunigt � entspricht das einer Masse von 8000 Mal der Masse im Ruhezustand (Ruhemasse) Die Protonen werden zur Kollision gebracht � es entsteht ein Energieball mit einer Temperatur von etwa 1012 Grad, der genau gemessen und analysiert wird

26. CMS Detektor f�r den LHC. In der Mitte des Detektors werden sich die Protonenstrahlen treffen (um die Geometrie zu veranschaulichen, sind im Bild die Protonen um einen Faktor vom 1020 vergr�ssert dargestellt).CMS Detektor f�r den LHC. In der Mitte des Detektors werden sich die Protonenstrahlen treffen (um die Geometrie zu veranschaulichen, sind im Bild die Protonen um einen Faktor vom 1020 vergr�ssert dargestellt).

27. 27 CMS Detektor Komponenten des CMS Detektor f�r den LHC. Die Detektorkomponenten werden in einer Halle an der Oberfl�che aufgebaut, und sp�ter in die unterirdische Halle abgesenkt. Komponenten des CMS Detektor f�r den LHC. Die Detektorkomponenten werden in einer Halle an der Oberfl�che aufgebaut, und sp�ter in die unterirdische Halle abgesenkt.

28. 28 Beschleunigung Simulation einer Kollision zwischen zwei Protonen im CMS Detektor, bei dem das Higgs Teilchen entsteht. Das Higgs zerf�llt sofort in viele andere Teilchen, deren Spuren auf dem Bild zu sehen sind. Die Aufgabe des Detektors ist es, die Spuren des Zerfalls zu messen. Mit Hilfe von Computern (im sogennanten GRID) wird der Zerfall rekonstruiert. �hnliche Ereignisse werden etwa 1 Milliarden Mal pro Sekunde stattfinden.Simulation einer Kollision zwischen zwei Protonen im CMS Detektor, bei dem das Higgs Teilchen entsteht. Das Higgs zerf�llt sofort in viele andere Teilchen, deren Spuren auf dem Bild zu sehen sind. Die Aufgabe des Detektors ist es, die Spuren des Zerfalls zu messen. Mit Hilfe von Computern (im sogennanten GRID) wird der Zerfall rekonstruiert. �hnliche Ereignisse werden etwa 1 Milliarden Mal pro Sekunde stattfinden.

29. Conseil Europ�enne pour la Recherche Nucl�aireCERN Luftbild der Gegend um Genf, mit dem Genfer See und den Alpen im Hintergrund. Das CERN hat zwi Hauptgel�nde, eines in der Schwiez und eines in Frankreich. Der LHC Tunnel ist etwa 100 m unter der Erde, an der Position wie in Bild eingezeichnet. Luftbild der Gegend um Genf, mit dem Genfer See und den Alpen im Hintergrund. Das CERN hat zwi Hauptgel�nde, eines in der Schwiez und eines in Frankreich. Der LHC Tunnel ist etwa 100 m unter der Erde, an der Position wie in Bild eingezeichnet.

30. 30 Rezept f�r einen Teilchenbeschleuniger Zutaten: etwas womit man die Protonen schneller machen kann - 7000 Milliarden Volt Veranschaulichung der Beschleunigung: Die Protonen werden in den LHC eingelenkt, laufen mit immer gr�sserer Energie (und Geschwindigkeit) um, da sie bei jedem Umlauf beschleunigt werden (zur VeranscheulichungVergleich mit dem Hammerwerfer). Da die Protonen relativistisch sind, d.h., schon am Anfang fast Lichtgeschwindigkeit haben, �ndert sich die Geschwindigkeit allerdings nur wenig. Veranschaulichung der Beschleunigung: Die Protonen werden in den LHC eingelenkt, laufen mit immer gr�sserer Energie (und Geschwindigkeit) um, da sie bei jedem Umlauf beschleunigt werden (zur VeranscheulichungVergleich mit dem Hammerwerfer). Da die Protonen relativistisch sind, d.h., schon am Anfang fast Lichtgeschwindigkeit haben, �ndert sich die Geschwindigkeit allerdings nur wenig.

31. 31 Der relativistische Hammerwerfer Was h�lt die Protonen auf der Kreisbahn ? Die Geschwindigkeit �ndert sich nur wenig, aber die Masse der Protonen �ndert sich stark. Beim Einlenken in den LHC Beschleuniger haben die Protonen eine Masse von etwa 500 Mal der Ruhemasse. Die Masse steigt bei der Beschleunigung im LHC um etwa einen Faktor 15. Um die Teilchen auf einer Kreisbahn zu halten, wird eine starke magnetische Kraft ben�tigt (Lorenzkraft). Das Magnetfeld wird durch supraleitenden Magnete erzeugt.Die Geschwindigkeit �ndert sich nur wenig, aber die Masse der Protonen �ndert sich stark. Beim Einlenken in den LHC Beschleuniger haben die Protonen eine Masse von etwa 500 Mal der Ruhemasse. Die Masse steigt bei der Beschleunigung im LHC um etwa einen Faktor 15. Um die Teilchen auf einer Kreisbahn zu halten, wird eine starke magnetische Kraft ben�tigt (Lorenzkraft). Das Magnetfeld wird durch supraleitenden Magnete erzeugt.

32. 32 Der relativistische Hammerwerfer Was h�lt die Protonen auf der Kreisbahn ? Magnete halten die Protonen auf der Kreisbahn. Das Magnetfeld ist senkrecht, f�r eine in der Ebene laufendes Proton wird das Proton in der Ebene abgelenkt (Kreuzprodukt zwischen Magnetfeld und Geschwindigkeit - Lorentzkraft). Link: http://web.mit.edu/8.02t/www/802TEAL3D/Magnete halten die Protonen auf der Kreisbahn. Das Magnetfeld ist senkrecht, f�r eine in der Ebene laufendes Proton wird das Proton in der Ebene abgelenkt (Kreuzprodukt zwischen Magnetfeld und Geschwindigkeit - Lorentzkraft). Link: http://web.mit.edu/8.02t/www/802TEAL3D/

33. 33 LHC Tunnel mit supraleitenden MagnetenFertigstellung 2007 Blick in den LHC Tunnel: Man sieht die supraleitenden Magnete, die die Protonen auf einer Kreisbahn halten. Die Beschleunigerkopmponenten werden zur Zeit eingebaut, und es ist geplant, den Beschleuniger 2007 fertigzustellen und in Betrieb zu nehmen. Blick in den LHC Tunnel: Man sieht die supraleitenden Magnete, die die Protonen auf einer Kreisbahn halten. Die Beschleunigerkopmponenten werden zur Zeit eingebaut, und es ist geplant, den Beschleuniger 2007 fertigzustellen und in Betrieb zu nehmen.