Mit Mit grossengrossen Maschinen Maschinen (auf der Suche nach (auf der Suche nach
dem Kleinstendem KleinstenFrank KraussFrank Krauss
Institut für Theoretische PhysikInstitut für Theoretische PhysikTU DresdenTU Dresden
Physik am Samstag, TU DresdenPhysik am Samstag, TU Dresden19. November 200519. November 2005
Inhalt :Inhalt :Wo sich Wo sich grossgross und klein treffen: und klein treffen:
Vom Universum zu den TeilchenVom Universum zu den TeilchenWas wir zu wissen glauben (und was nicht):Was wir zu wissen glauben (und was nicht):
Woraus alles bestehtWoraus alles bestehtWie wir das Kleinste untersuchen:Wie wir das Kleinste untersuchen:
Beschleuniger und DetektorenBeschleuniger und DetektorenWo die Geschichte weitergeht: Wo die Geschichte weitergeht:
CERN und die neuen ExperimenteCERN und die neuen ExperimenteEpilogEpilog
Vom Universum zu den Vom Universum zu den TeilchenTeilchen
Objekte in der Objekte in der Natur mit Natur mit unterschiedlichen unterschiedlichen Grössen Grössen ((GrösseGrösse bedingt bedingt Auflösung und damit Auflösung und damit Messverfahren)Messverfahren)Trotzdem: Es gibt Trotzdem: Es gibt einen engen einen engen Zusammenhang ! Zusammenhang ! (Geschichte des (Geschichte des Universums)Universums)
Geschichte des UniversumsGeschichte des Universums(10 s, 10 GeV, 10 K)-43 19 32
Urknall (Big bang): Urknall (Big bang): Zeit und Raum beginnenZeit und Raum beginnen
Unendliche Hitze, Unendliche Hitze, unendliche Dichte:unendliche Dichte:Universum = PunktUniversum = PunktStringtheorie ?Stringtheorie ?Gravitation „friert aus“: Gravitation „friert aus“: Alle Teilchen im Alle Teilchen im thermtherm. . Gleichgewicht, alle Kräfte Gleichgewicht, alle Kräfte ((ausserausser Gravitation) gleichGravitation) gleich
Geschichte des UniversumsGeschichte des Universums
Grosse vereinheitlichte Grosse vereinheitlichte Theorie (GUT)Theorie (GUT)Inflation: Inflation:
Universum verdoppelt Universum verdoppelt GrösseGrösse alle alle 10 s, 10 s, GrösseGrösse danach: 10 mdanach: 10 m
Heute sichtbar: 3 mHeute sichtbar: 3 mLösung für HorizontLösung für Horizont-- und und FlachheitsproblemFlachheitsproblem
Starke Kraft „friert aus“Starke Kraft „friert aus“Materieüberschuss Materieüberschuss (gegenüber (gegenüber Antimaterie)Antimaterie)
(10 s, 10 GeV, 10 K)-35 16 27
-34 23
Geschichte des UniversumsGeschichte des Universums(10 s, 100 GeV, 10 K)-10 15
Trennung von Trennung von elektromagnetischer elektromagnetischer und schwacher und schwacher Kraft: Kraft: W und Z W und Z BosonenBosonen zerfallen, zerfallen, Antiquarks und Quarks Antiquarks und Quarks annihilierenannihilieren (löschen sich (löschen sich aus), dabei entsteht aus), dabei entsteht Strahlung (z.B. Licht)Strahlung (z.B. Licht)
Energiebereich wie Energiebereich wie der am LEP (CERN) der am LEP (CERN) schon erreichteschon erreichte
-
Geschichte des UniversumsGeschichte des Universums(10 s, 1 GeV, 10 K)-4 13
Heute sichtbares Heute sichtbares Universum damals so Universum damals so grossgross wie unser jetziges wie unser jetziges Sonnensystem Sonnensystem Nukleonformation:Nukleonformation:Protonen und Neutronen Protonen und Neutronen entstehen; entstehen; Verhältnis entwickelt sich Verhältnis entwickelt sich von p:n = 50:50 zu 75:25von p:n = 50:50 zu 75:25Neutrinos entkoppeln:Neutrinos entkoppeln:Keine Wechselwirkung mehrKeine Wechselwirkung mehrElektronen und Elektronen und Positronen annihilierenPositronen annihilierenElektronüberschuss bleibtElektronüberschuss bleibt
-
Geschichte des UniversumsGeschichte des Universums(3 min, 100 keV, 10 K)8
Bedingungen wie in Bedingungen wie in SternenSternenKernformation:Kernformation:Protonen und Neutronen Protonen und Neutronen kombinieren zu Deuterium, kombinieren zu Deuterium, Tritium und Heliumkerne, Tritium und Heliumkerne, Verhältnis p:n ca. 87:13Verhältnis p:n ca. 87:13
Elektronen verhalten Elektronen verhalten sich wie ein freies sich wie ein freies GasGas
Geschichte des UniversumsGeschichte des Universums(300000 Jahre, 0.5 eV, 6000 K)
Ära des Lichts:Ära des Lichts:Astronomie beginntAstronomie beginntUniversum transparent, Universum transparent, füllt sich mit Licht:füllt sich mit Licht:Kerne und Elektronen Kerne und Elektronen kombinieren zu Atomen, kombinieren zu Atomen, dabei wird Licht freidabei wird Licht freiStrahlung nicht mehr Strahlung nicht mehr energiereich genug um energiereich genug um Atome zu „knacken“Atome zu „knacken“Materie dominiert die Materie dominiert die Dichte des UniversumsDichte des Universums
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Geschichte des UniversumsGeschichte des Universums(1.000.000.000 Jahre, 18 K)
Galaxieformation:Galaxieformation:Aus kleinen lokalen Aus kleinen lokalen Fluktuationen in der Dichte Fluktuationen in der Dichte werden werden grossegrosse Unterschiede Unterschiede (Zug der Gravitation)(Zug der Gravitation)
Sterne „zünden“ : Sterne „zünden“ : NucleosyntheseNucleosynthese (Erzeugung (Erzeugung schwerer Elemente, z.B. schwerer Elemente, z.B. Kohlenstoff) beginnt.Kohlenstoff) beginnt.
Schwere Elemente Schwere Elemente verteilen sichverteilen sich
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Geschichte des UniversumsGeschichte des Universums(12.400.000.000 Jahre, 3 K)
Heute:Heute:Der Mensch tritt auf und Der Mensch tritt auf und fragt sich diese Fragenfragt sich diese Fragen
Struktur des Struktur des Universums heute: Universums heute: Antworten unter anderem Antworten unter anderem von Untersuchungen der von Untersuchungen der kosmischen (Mikrowellenkosmischen (Mikrowellen--) ) Hintergrundstrahlung Hintergrundstrahlung (WMAP) und der gemessenen (WMAP) und der gemessenen Rotverschiebung entfernter Rotverschiebung entfernter GalaxienGalaxien
Heutiges Bild des Universums:Heutiges Bild des Universums:Kosmische HintergrundstrahlungKosmische Hintergrundstrahlung
Heutiges Bild des UniversumsHeutiges Bild des UniversumsRotverschiebung der Galaxien und Rotverschiebung der Galaxien und grossegrosse StrukturenStrukturen
Rotverschiebung der Rotverschiebung der Galaxien ausGalaxien aus SupernovaeSupernovae TypTypIaIa (oben)(oben)Grosse Strukturen im Grosse Strukturen im Universum: 2.000.000 Universum: 2.000.000 Galaxien, Richtung Südpol, Galaxien, Richtung Südpol, 1/10 des Himmels (rechts)1/10 des Himmels (rechts)
Heutiges Bild des UniversumsHeutiges Bild des UniversumsKonsequenzen der MessungenKonsequenzen der Messungen
Die Energie im Universum Die Energie im Universum wird zu ca. 30% von wird zu ca. 30% von Materie und zu ca. 70% Materie und zu ca. 70% von Energie getragen. von Energie getragen. Das Universum ist „flach“.Das Universum ist „flach“.
Woraus alles bestehtWoraus alles bestehtDer bekannte Teilchen“Der bekannte Teilchen“zoozoo““
Sketch eines ProtonsSketch eines Protons
Woraus alles bestehtWoraus alles bestehtDie bekannten WechselwirkungenDie bekannten Wechselwirkungen
Woraus alles bestehtWoraus alles bestehtDie bekannten WechselwirkungenDie bekannten Wechselwirkungen
Woraus alles bestehtWoraus alles bestehtElektroschwache WechselwirkungElektroschwache Wechselwirkung
Woraus alles bestehtWoraus alles bestehtStarke WechselwirkungStarke Wechselwirkung
Woraus alles bestehtWoraus alles bestehtDas Mysterium der MasseDas Mysterium der Masse
Problem des Problem des Standard Modells: Standard Modells: Warum haben Teilchen Warum haben Teilchen –– vor vor allem die W und Z allem die W und Z BosonenBosonen --Masse ? Das verletzt ein Masse ? Das verletzt ein „heiliges“ Prinzip der „heiliges“ Prinzip der Theorie: Theorie: EichinvarianzEichinvarianz
Antwort: Trick !Antwort: Trick !Seine Manifestation: Seine Manifestation: Das Das HiggsHiggs--Teilchen Teilchen (Der ultimative Test des (Der ultimative Test des Standard Modells und Tor zu Standard Modells und Tor zu etwas Neuem)etwas Neuem)
Was wir (noch) nicht wissenWas wir (noch) nicht wissenStandard Modell mit Standard Modell mit HiggsHiggs--BosonBoson hat hat weitere Probleme: weitere Probleme: Keine Gravitation, Keine Gravitation, „rechnerische Konsistenz „rechnerische Konsistenz wirkt wie ein Artefakt“ wirkt wie ein Artefakt“ (quadratische Divergenzen)(quadratische Divergenzen)
Populärer Ausweg: Populärer Ausweg: SupersymmetrySupersymmetryVerdopple Teilchenspektrum Verdopple Teilchenspektrum Bonus: Kandidat für dunkle Bonus: Kandidat für dunkle Materie! Materie!
Beschleuniger und DetektorenBeschleuniger und DetektorenWie wir Teilchen produzieren und untersuchenWie wir Teilchen produzieren und untersuchen
Beschleuniger und DetektorenBeschleuniger und DetektorenWie wir Teilchen produzieren und untersuchenWie wir Teilchen produzieren und untersuchen
Beschleuniger und DetektorenBeschleuniger und DetektorenWie wir Teilchen produzieren und untersuchenWie wir Teilchen produzieren und untersuchen
Wo die Geschichte weitergehtWo die Geschichte weitergehtCERN und der LHC: GeschichteCERN und der LHC: Geschichte
1954 gegründet, um 1954 gegründet, um wissenschaftliche wissenschaftliche Zusammenarbeit und damit Zusammenarbeit und damit Frieden in Europa zu stiften Frieden in Europa zu stiften (Idee der USA)(Idee der USA)
Deutschland als Deutschland als GründungsnationGründungsnation
Heute: 20 MitgliedsstaatenHeute: 20 Mitgliedsstaaten
Wo die Geschichte weitergehtWo die Geschichte weitergehtCERN und der LHC: SozialesCERN und der LHC: Soziales
Mehrere tausend Mitarbeiter: Mehrere tausend Mitarbeiter: Physiker, Informatiker, Physiker, Informatiker, Ingenieure, Köche, Verwaltung, Ingenieure, Köche, Verwaltung, Kindergärtner, etc..Kindergärtner, etc..Über 50 Nationen vertretenÜber 50 Nationen vertretenSchulen für Lehrer, Schüler, Schulen für Lehrer, Schüler, Studenten, etc..Studenten, etc..
Wo die Geschichte weitergehtWo die Geschichte weitergehtCERN und der LHC: Die MaschineCERN und der LHC: Die Maschine
pp Kollisionen bei 7 TeV/Protonpp Kollisionen bei 7 TeV/ProtonCa. 3000 „Bunches“ pro Ring, Ca. 3000 „Bunches“ pro Ring, jeder ca. 100 Milliarden Teilchenjeder ca. 100 Milliarden TeilchenKollisionsrate: 40 MHz, ca. 20 pp Kollisionsrate: 40 MHz, ca. 20 pp Kollisionen/StoßKollisionen/StoßInsgesamt 4 DetektorenInsgesamt 4 Detektoren
Wo die Geschichte weitergehtWo die Geschichte weitergehtCERN und der LHC: Die MaschineCERN und der LHC: Die Maschine
Wo die Geschichte weitergehtWo die Geschichte weitergehtCERN und der LHC: Das CERN und der LHC: Das grossegrosse GrabenGraben
Wo die Geschichte weitergehtWo die Geschichte weitergehtCERN und der LHC: ATLASCERN und der LHC: ATLAS
>2000 Mitglieder aus >150 >2000 Mitglieder aus >150 Institutionen in 34 Institutionen in 34 LändernLändern..BasisdemokratischeBasisdemokratischefreiwilligefreiwillige ZusammenarbeitZusammenarbeitGrösseGrösse: ca. 40 * 20 * : ca. 40 * 20 * 2020 m, m, Masse : 6200 Masse : 6200 TonnenTonnenDatenmengeDatenmenge : 500 : 500 Gbit/sGbit/s, , ((sovielsoviel wiewie die die gesamtegesamteTelekommunikationTelekommunikation in in derderWelt 1998) Welt 1998) Ca. 10Ca. 1017 17 pppp--KollisionenKollisionen in 10 in 10 JahrenJahren LaufzeitLaufzeit, , wichtigwichtigdavondavon: : vielleichtvielleicht blossbloss 1010. .
Wo die Geschichte weitergehtWo die Geschichte weitergehtCERN und der LHC: ATLASCERN und der LHC: ATLAS
Wo die Geschichte weitergehtWo die Geschichte weitergehtCERN und der LHC: CMSCERN und der LHC: CMS
Mitglieder Mitglieder ähnlichähnlich wiewie beibei AtlasAtlasGewichtGewicht: 12500 Tonne, : 12500 Tonne, MaßeMaße: ca 25 * 15 * : ca 25 * 15 * 1515 mmTracker Tracker ausaus SiliziumSilizium: 250 : 250 qmqm, , PixelPixel--DetektorDetektor mitmit > 23 Mio > 23 Mio ElementenElementen auf 0.5 auf 0.5 qmqm. . Messing Messing fürfür hadronischeshadronischesKalorimeterKalorimeter aus aus demdem KupferKupferrussischerrussischer SchiffsartillerieSchiffsartillerieElektromagnetischesElektromagnetischesKalorimeterKalorimeter aus 80000 aus 80000 KristalleKristalle, , Masse Masse entsprichtentspricht derder von 24 von 24 ausgewachsenenausgewachsenen afrikanischenafrikanischenElefantenElefantenMagnetfeldMagnetfeld von 4 Tesla, 100.000 von 4 Tesla, 100.000 Mal Mal stärkerstärker alsals dassdass derder ErdeErde; ; EnergieEnergie reichtreicht aus um 19 aus um 19 TonnenTonnenGold Gold zuzu schmelzenschmelzen
Wo die Geschichte weitergehtWo die Geschichte weitergehtCERN und der LHC: CMSCERN und der LHC: CMS
Wo die Geschichte weitergehtWo die Geschichte weitergehtAmanda & Amanda & IceCubeIceCube: Neutrinoastronomie am Südpol: Neutrinoastronomie am Südpol
Wo die Geschichte weitergehtWo die Geschichte weitergehtAmanda & Amanda & IceCubeIceCube: Neutrinoastronomie am Südpol: Neutrinoastronomie am Südpol
Epilog : SpinEpilog : Spin--Off EffekteOff EffekteBeispiele für „Erfindungen“ der TeilchenphysikBeispiele für „Erfindungen“ der Teilchenphysik
World Wide WebWorld Wide Web(Tim Berners(Tim Berners--Lee Lee worksworks @ CERN)@ CERN)
ComputertomograpieComputertomograpieund 3und 3--D D ImagingImagingNeue Krebstherapien Neue Krebstherapien (mit Protonen/Ionen)(mit Protonen/Ionen)GridGrid--Technologie, Technologie, Nachfolger für das Nachfolger für das WWW ?WWW ?Vermessungstechnik, Vermessungstechnik, Materialverarbeitung, Materialverarbeitung, etc. etc.
Epilog : Und Dresden ?Epilog : Und Dresden ?Erstellung eines Simulationsprogramms für Erstellung eines Simulationsprogramms für Experimente am CERN/LHC: SHERPA Experimente am CERN/LHC: SHERPA (Gruppe besteht aus 9 Personen: (Gruppe besteht aus 9 Personen: 1 Postdoktorand, 4 Doktoranden, 3 Diplomanden)1 Postdoktorand, 4 Doktoranden, 3 Diplomanden)
Vortrag unter Vortrag unter http://http://wwwwww..physikphysik.tu.tu--dresdendresden.de/~.de/~krausskrauss
Bilder & Material im Vortrag: Bilder & Material im Vortrag: CERN, Press & Publications,CERN, Press & Publications,http://http://www.cern.chwww.cern.chNASA/WMAP Science Team,NASA/WMAP Science Team,http://map.gsfc.nasa.gov/http://map.gsfc.nasa.gov/
Ästhetisches aus der Ästhetisches aus der BlasenkammerBlasenkammer
