1 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Der Large Hadron Collider (LHC)
...ein Rundgang durch das größte Experiment der Welt
2 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Übersicht
� Die Welt der Elementarteilchen
� Teilchenbeschleuniger
� Teilchendetektoren
� Technologietransfer
3 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Die Welt der Elementarteilchen
4 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Grundfrage der Teilchenphysik
Aus was besteht Aus was besteht die Welt?die Welt?
10 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Quarks
dd
u+2/3 e
-1/3 e
-1/3 e
Proton Neutron
uu
d
+2/3 e
+2/3 e
-1/3 e
11 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Elementarteilchen
Elektron
u d
up-Quark down-Quark
12 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Kosmische Strahlung
� Entdeckung weiterer Elementarteilchen
13 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Elementarteilchen
Elektron
u
d
up-Quark
down-Quark
14 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Elementarteilchen
Elektron Myon
su
d
up-Quark
down-Quark
strange-Quark
15 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Kosmische Strahlung
� Beobachtung in Ballons und auf Bergen � mühsam!
16 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Frage
� Wie lautet Einsteins berühmte Gleichung?
17 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Frage
� Wie lautet Einsteins berühmte Gleichung?
E=m•c2
18 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger
� Künstliche Erzeugung neuer Teilchen bei Teilchenkollisionen, E=m•c2
19 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Elementarteilchen
Elektron Myon
su
d
up-Quark
down-Quark
strange-Quark
20 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Elementarteilchen
Elektron Myon
su
d
up-Quark
down-Quark
strange-Quark
Tauon
21 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Elementarteilchen
Elektron Myon
su
d
up-Quark
down-Quark
strange-Quark
bbottom-Quark
Tauon
ccharm-Quark
ttop-Quark
22 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Elementarteilchen
Elektron
e-Neutrino
Myon
su
d
up-Quark
down-Quark
strange-Quark
µ-Neutrino τ-Neutrino
bbottom-Quark
Tauon
ccharm-Quark
ttop-Quark
23 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Offene Fragen
Elektron
e-Neutrino
Myon
su
d
up-Quark
down-Quark
strange-Quark
µ-Neutrino τ-Neutrino
bbottom-Quark
Tauon
ccharm-Quark
ttop-Quark
Masse der Elementarteilchen?
33 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Dunkle Materie
„DunkleMaterie“
34 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Offene Fragen
� Higgs-Teilchen
� Dunkle Materie
� ...
36 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Der Large Hadron Collider am CERN
� Länge: 27 km� 100 m unter der Erde� 4 Teilchendetektoren
38 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger in der Schule
39 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Teilchenbeschleuniger in der Schule
� Braun‘sche Röhre
� Oszilloskop
� Fadenstrahlröhre
� TV-Gerät
40 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Fragen
� Wie erzeugt man freie Elektronen?
� Wie beschleunigt man geladene Teilchen?
41 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Fadenstrahlröhre
UA
Anode
Kathode
42 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Fadenstrahlröhre
UA
Anode
Kathode
43 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Fadenstrahlröhre
UA
Anode
Kathode
44 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Fadenstrahlröhre
UA
Anode
Kathode
Metallzylinder
45 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Fadenstrahlröhre
UA
Anode
Kathode
Metallzylinder
48 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
CERN-Protonenquelle
Glühkathode
90 kV
49 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
CERN-Protonenquelle
Glühkathode
90 kV
50 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
CERN-Protonenquelle
Glühkathode
90 kV
51 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
CERN-Protonenquelle
Glühkathode
Zwischenelektrode
90 kV
52 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
CERN-Protonenquelle
Glühkathode
Zwischenelektrode
90 kV
Anode
53 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
CERN-Protonenquelle
Glühkathode
Zwischenelektrode
90 kV
WasserstoffAnode
54 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
CERN-Protonenquelle
Glühkathode
Zwischenelektrode
90 kV
WasserstoffAnode
55 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Protonen-Erzeugung
beschleunigtes Elektron
Wasserstoff-Atom
59 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
CERN-Protonenquelle
Glühkathode
Zwischenelektrode
90 kV
WasserstoffAnode
63 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Kreisbeschleuniger
~
Wie bringt man Teilchen auf eine Kreisbahn?
� Vorteil: die gleiche Beschleunigungsstrecke mehrmals durchlaufen
65 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Synchrotron
UA
Kathode mit Wehnelt-Zylinder Anode
Homogenes Magnetfeld
(Dipol)
UA klein
UA groß
� Beschleunigung undMagnetfeld synchronhochfahren
66 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Kreisbeschleuniger
Ablenkmagnet
Einschleusung
Beschleunigungsstrecke
67 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
LHC-Spiel
Start (Internetverbindung erforderlich)
69 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Large Hadron Collider
� Maximalenergie: 7 Tera-Elektronenvolt� Geschwindigkeit: v=0,999999991 c� 2808 Teilchenpakete mit je 1,15 · 1011 Protonen
• Abstand: 25 ns• � 40 Millionen Kollisionen pro Sekunde
70 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Large Hadron Collider
� 1232 supraleitende Magnete• Magnetfeld: 8,3 T bei 11.850 Ampère• Betriebstemperatur: -271 °C• Länge: 15 m• Gewicht: 35 t• Preis: 500.000 CHF
� Transport bei 3 km/h!• ...bis zu 15 km weit
71 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Large Hadron Collider
� LHC-Temperatur• Kälter als das Weltall!
73 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Large Hadron Collider
� Weitere Daten:• Energieverbrauch: 180 MW (= Kanton Genf)• 360 MJ Energie gespeichert im Strahl (=ICE bei 200 km/h,
schmilzt 500 kg Kupfer)• Ultrahochvakuum größer als auf dem Mond
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
-3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000
Time [s]
MB
cur
rent
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
B [T
]
Preinjection plateau
Ramp down
Start ramp
Injection
Beam dump
Physics PreparePhysics
Ramp down ≈ 18 Mins
Pre-Injection Plateau 15 Mins
Injection ≈ 15 Mins
Ramp ≈ 28 Mins Squeeze ≈ 20 Mins
Prepare Physics ≈ 10 Mins Physics 0 - 20 Hrs
76 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
CMS-Detektor
� Länge: 25 m� Höhe: 16 m� Gewicht: 12.500 t
� Mitarbeiter:• 2310 Wissenschaftler• 38 Staaten• 175 Institute
55 aus Karlsruhe
80 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
CMS-Detektor
� Spurdetektoren• Streifen und Pixel aus Silizium (=„Digitalkamera“)• Fläche: 220 m2
• 60 Millionen elektronische Kanäle• Länge: 6 m
40 Mio. Fotos pro Sekunde
83 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
CMS-Detektor
� Kalorimeter• Teilchen regen spezielle
Materialien zur Lichtemission an• Messung der Energie
Szintillator Lichtleiter
Photodetektor
ionisierendes Teilchen
87 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Kalorimeter
� Myonkammern• Gasdetektor = Geiger-Müller-Zählrohr
U0
Signal
ionisierendes Teilchen
FüllgasAußenelektrode
Innenelektrode
88 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Kalorimeter
� Myonkammern• Vieldraht-Proportionalkammer
ionisierendes Teilchen
Kathodendrähte
Anodendrähte
90 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Bestimmung von Impuls und Ladung
Br
91 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Bestimmung von Impuls und Ladung
Br r
vmBvq
2⋅=⋅⋅
ZL FF =
pvmrBqr=⋅=⋅⋅
94 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Technologietransfer
� World Wide Web
95 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Technologietransfer
� Medipix-Kamera
96 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Technologietransfer
� Teilchenbeschleuniger in derMedizin
97 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Technologietransfer
� Teilchenbeschleuniger in der Industrie• Polymerisation von Kunststoffen• Sterilisierung von Lebensmitteln und medizinischen Geräten• Dotieren von Halbleitern• Werkstoffüberprüfung
98 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik
Technologietransfer
� Das Grid