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

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

• Rüdiger Schmidt, CERN
  
• November 2004 Saturday Morning Physics TU
  Darmstadt

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Das CERN wurde 50 Jahre Tag der offenen Tür
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Von kosmischer Strahlung zum CERN
aéroport
Genève
gegründet in 1954 CERN in Genf ist die
wichtigste Einrichtung für Teilchenphysik in
Europa Forschung mit Hilfe von
Teilchenbeschleunigern
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600 M Jahresbudget 2500 Angestellte und etwa
6500 Wissenschaftler aus 60 Ländern (darunter
viele 100 Studenten)
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Warum gibt es das CERN ? Warum baut das CERN
den LHC Teilchenbeschleuniger ? Wie wird der LHC
gebaut ?
600 M Jahresbudget 2500 Angestellte und etwa
6500 Wissenschaftler aus 60 Ländern (darunter
viele 100 Studenten)
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Warum gibt es das CERN ?
600 M Jahresbudget 2500 Angestellte und etwa
6500 Wissenschaftler aus 60 Ländern (darunter
viele 100 Studenten)
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..weil das World Wide Web dort entwickelt wurde ?
. Eigentlich nicht
Das WWW wurde entwickelt, weil die Physiker
effizient miteinander kommunizieren mussten.
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Woraus besteht unsere Welt? Vom Kleinsten bis
zum Grössten
Messinstrument
Objekt
Teilchen- beschleuniger LEP - LHC
SUSY Teilchen? Higgs? Z/W
Proton Atomkern Atom
Elektronen-mikroskop Lichtmikroskop
Virus
Zelle

Entfernung Erde-Sonne
Teleskop
Galaxien
Grösse des Universums
Radio Teleskop
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15 Milliarden Jahre
Eine Reise zurück in der Zeit
1 Milliarden Jahre
300000 Jahre
3 Minuten
1 Sekunde
10-10 Sekunden
10-34 Sekunden
10-43 Sekunden
1032 Grad
Heute
1027 Grad
1015 Grad
1010 Grad
106 Grad
3000 Grad
18 Grad
3 Grad Kelvin -270 Grad Celsius
http//holtz.org/Library/Natural20Science/Astrono
my/Cosmology/Big20Bang20by20Haubold.jpg
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Was unsere Welt zusammenhält Kräfte und
Wechselwirkungen
Elektromagnetisch
?
Elektrizität Magnetismus, Elektronik, Elektrotechn
ik, Atom, Licht, Chemie
Gravitation
?
Erdanziehungskraft, Sonnensystem, Galaxien
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Vom Kleinsten das Atom
Elektronen in der Atomhülle
10-10 m
10-15 m
Protonen im Atomkern
Neutronen im Atomkern
Elektromagnetismus Zwei gleich geladene
Teilchen stossen sich gegenseitig ab
PROBLEM Abstossung zwischen Protonen im
Kern mit 60 Newton! Was hält den Atomkern
zusammen ?
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Kraft zwischen zwei Protonen
Warum fällt der Atomkern nicht auseinander? Wege
n der Gravitation? Die Gravitation bewirkt eine
Anziehung .aber nur von nur 10-35 N
Die Abstossung ist 1Milliarde1Milliarde1Millia
rde 1Milliarde grösser
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Kraft zwischen zwei Protonen
Warum fällt der Atomkern nicht auseinander?
Weil eine Kraft, viel stärker als elektrische
Kräfte, den Kern zusammenhält Starke Kraft
Starke Wechselwirkung
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Kräfte und Teilchen (Wechselwirkungen)
Elektromagnetisch
Stark

Gluonen (8)
Photon
Quarks
Atom, Licht Chemie Elektronik
Mesonen, Baryonen
Atomkern
Gravitation
Graviton ?
?
?
Erdanziehungskraft, Sonnensystem, Galaxien
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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

Neutron ? Proton Elektron Antineutrino
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Vier bekannte Naturkräfte und deren Teilchen
Elektromagnetisch
Stark

Gluonen (8)
Photon
Quarks
Atom, Licht, Chemie, Elektronik
Mesonen, Baryonen
Atomkern
Schwach
Gravitation
Bosons (W, Z, Higgs ?)
Graviton ?
Radioaktivität, Neutronenzerfall Wechselwirkung
von Neutrinos Energiequelle der Sonne
Erdanziehungskraft, Sonnensystem, Galaxien
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15 Milliarden Jahre
.zum Grössten Das Universum und der Urknall

1 Milliarden Jahre
300000 Jahre
LHC
3 Minuten
1 Sekunde
10-10 Sekunden
10-34 Sekunden
10-43 Sekunden
1032 Grad
1027 Grad
1015 Grad
1010 Grad
106 Grad
3000 Grad
18 Grad
3 Grad Kelvin -270 Grad Celsius
http//holtz.org/Library/Natural20Science/Astrono
my/Cosmology/Big20Bang20by20Haubold.jpg
18
Wie findet man heraus was wirklich beim Urknall
geschah ? Der theoretische Physiker denkt nach
und rechnet..
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Wie findet man heraus was wirklich beim Urknall
geschah ? Der theoretische Physiker denkt nach
und rechnet..
heute mit Hilfe von Computern
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Wie findet man heraus was wirklich beim Urknall
geschah ? Der theoretische Physiker denkt nach
und rechnet..
auf der ganzen Welt das GRID
21
Wie findet man heraus was wirklich beim Urknall
geschah ? Der Experimentalphysiker produziet den
Urknall im Labor.. 1960
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Wie findet man heraus was wirklich beim Urknall
geschah ? Der Experimentalphysiker produziert
den Urknall im Labor. 2004
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Rezept für einen Urknall

• Zutaten
• ein Proton
• noch ein Proton
• einen Teilchenbeschleuniger
• Rezept
• Die Protonen werden auf Lichtgeschwindigkeit
  beschleunigt
• Die Protonen werden weiter beschleunigt

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Rezept für 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)

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Rezept für 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

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Für winzige Teilchen braucht man riesige
Detektoren die messen was passiert
Der Physiker .
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CMS Detektor
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Beschleunigung
Higgs Teilchen im Detektor (Computersimulation
was beim LHC passieren könnte)
109 mal pro Sekunde gt Grid
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Conseil Europèenne pour la Recherche
NucléaireCERN
Mont Blanc
Der LHC Beschleunigerein 26 km langes Labor
100 m unter der Erde
Genf / Schweiz
Protonen laufen inentgegengesetzterRichtung um,
und werdenzur Kollision gebracht
Frankreich
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Rezept für einen Teilchenbeschleuniger

• Zutaten
• etwas womit man die Protonen schneller machen
  kann - 7000 Milliarden Volt

Problem mehr als etwa 1 - 10 Millionen Volt geht
nicht ! Was kann man machen ?

• man lässt die Protonen 7 Millionen mal im Kreis
  laufen, und beschleunigt sie bei jedem Umlauf mit
  1 Millionen Volt

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Der relativistische Hammerwerfer

• Was hält die Protonen auf der Kreisbahn ?

Superstarkes Magnetfeld

• Magnete lenken die Protonen ab, und halten sie
  auf der Kreisbahn

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Der relativistische Hammerwerfer

• Was hält die Protonen auf der Kreisbahn ?

• Magnete lenken die Protonen ab, und halten sie
  auf der Kreisbahn

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LHC Tunnel mit supraleitenden MagnetenFertigstell
ung 2007
Film Die LHC supraleitenden Magnete