Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik 1 Die großen Zukunftsprojekte: Der Large Hadron Collider (LHC) und ein Elektron-Positron-Linearbeschleuniger

Günter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut für experimentelle Kernphysik

1

Die großen Zukunftsprojekte:

Der Large Hadron Collider (LHC) und ein

Elektron-Positron-Linearbeschleuniger

Prof. Dr. G. QuastInstitut für experimentelle KernphysikUniversität Karlsruhe (TH)


2Was wir schon wissen ...

Der Teichenbaukasten ist komplett !

?

Drei der vier fundamentalen Wechsel- wirkungen sind gut verstanden !

... und was auf jeden Fall noch fehlt ??? →


3Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends:

Ursprung der Massen der Elementarteilchen ?

Gibt es den Higgs-Mechanismus, und wie funktioniert er ?



Vereinigung aller fundamentalen Kräfte in einer Universalwechselwirkung ?



Unbekannte Formen von Materie ? z.B. supersymmetrische Materie als „dunkle Materie“



Was ist dunkle Energie ?

70% des Universums scheinen daraus zu bestehen !

Hochauflösende Messung der kosmischen Mikrowellen- Hintergrundstrahlung mit dem WMAP-Satelliten



Verborgene räumliche Dimensionen ?

Ist unser Raum auch bei Abständen von 10-19 m noch dreidimensional?


8

1. Large Hadron Collider (LHC) am CERN (ab 2007)

die „Entdeckungsmaschine“

2. Elektron-Positron- Linearbeschleuniger

die „Präzisionsmaschine“Bis dahin: - Tevatron am FNAL - Hera II am DESY - B-Fabriken am SLAC und bei KEK - Neutrino-Strahlen am KEK, Fermilab u. CERN im Bau - einige kleinere Beschleunigeranlagen für spezielle Fragestellungen

Neue Beschleuniger zur Beantwortung der offenen Fragen:


9Der Large Hadron Collider (LHC)

Vier geplante Experimente:

ATLAS (pp-Physik)

ALICE (Pb-Pb-Kollisionen)

CMS (pp-Physik)

LHC-B (Physik der b-Quarks)

Proton-Proton-Beschleuniger im LEP- Tunnel am CERN 14 TeV pro Kollision, d.h Bedingungen wie zu Zeiten10-13 -10-14 s nach dem Urknall


10LHC – Parameter

~1600 geladene Teilchen im Detektor Hohe Teilchendichten sind eine Herausforderung für die Detektoren

2835×2835 Proton-Proton-Pakete („bunches“)

1011 Protonen/Paket

Proton-Energie: 7 TeV

Kreuzungsrate der p-Pakete: 40 Mhz

bis zu 109 pp-Stöße/sec

Luminosität: 1034 cm-2s-1 Design, 0.2×1034 cm-2s-1 anfänglich

23 Ereignisse im Detektor überlagert


11Wichtige Komponenten des Beschleunigers

Supraleitende Magnete halten die Protonen auf der Kreisbahn größte Herausforderung: Magnetfeld von 9 Tesla insgesamt 1300 Stück, 15 m lang Betrieb bei einer Temperatur von 1.9 K

LHC als größte supraleitende Anlage ist Herausforderung für die Kryo-Technik !


12pp-Kollision bei LHC

Proton

Proton


13Zwiebelschalenstruktur eines Detektors


14Teilchenspuren im Detektor

Selektive Rekonstruktion

Tausende von Teilchenspuren in jedem Ereignis

Manchmal gibt es ein paar interessante ... z.B. Higgs: eines in 1011 Kollisionen

Herausforderung für Detektorbau, Experimentiertechnik und Datenanalyse !

„Interessante Physik“ passiert sehr selten, Analyse bedeutet „Suche nach der Nadel im Heuhaufen“!


15Ereignis- und Daten-Raten bei LHC

Detektoren haben einige 107 Kanäle

LHC Kollisionsrate: 40 MHz

10-12 bit/Kanal ~1000 Tbyte/s Rohdatenrate !

Nullunterdrückung und „Trigger“ reduzieren Datenrate auf „nur“ (einige) 100 Mbyte/s1

Level 1 - HardwareLevel 2 – Online Farm

40 MHz 40 MHz (1000 TB/sec) äquivalent

(1000 TB/sec) äquivalentLevel 3 – Online Farm

100 Hz (100 MB/sec

100 Hz (100 MB/sec

75 Khz (75 G

75 Khz (75 GB/sec komplett digitalisiert)

B/sec komplett digitalisiert)

5 Khz (5 GB/sec)

5 Khz (5 GB/sec)

(Wenn 6 Milliarden Menschen gleichzeitig telefonieren, sind das (nur) 50 TB/sec )

Dieser Datenstrom muss weltweit verteilt werden !


16Teilchenphysik ist international

267 Institute in Europa, 4600 Physiker208 Institute anderswo, 1600Physiker sind an CERN-Projekten beteiligt.

Grid-Computing verbindet die weltweiten Ressourcen der Teilchenphysiker


17Das „World-Wide-Grid“ zur Analyse der LHC-Daten (Bsp. CMS)

Datenanalyse auf einemvirtuellen Supercomputer ...


18GridKa am Forschungszentrum Karlsruhe


19Der CMS-Detektor

E Einiges ist bereits Realität ...


20Der Silizium-Spurdetektor

Qualitätskontrolle von 25% aller Sensoren Qualifizierung der Sensoren bzgl. Strahlungshärte Bonden, Testen von 1600 Modulen Montage von 50 Petals Montage einer Endkappe

5.4m

Karlsruher Verantwortung:

215 m2 Siliziumstreifendetektoren mit 10 Mio elektronischen Kanälen


21Simulierte Ereignisse im Detektor

Die geraden roten Linien stammen von einem simulierten Higgs-Boson mit 120 GeV Masse


22Bsp.: Die Suche nach dem Higgs mit CMS

H

•H Z Z μ•H γγ

nach 1 Jahr LHC (Diplomarbeit J.Weng)

Higgs-Suche im ersten Jahr von LHC ist „Statistik kleiner Zahlen“

Wenn das Higgs existiert, wird es am LHC gefunden werden !


23Elektron-Positron

Linearbeschleuniger Alternative Strategie: Präzisionsmessungenstatt höchstmöglicher Energie

e+e- Collider ideal für

genaueste Messungen:

Punktförmige Teilchen

Nur elektroschwache Wechselwirkung im Anfangszustand

Schwerpunktsenergie genau einstellbar

Vollständige Ereignis- rekonstruktion

TESLA (in Hamburg?)


24Zusammenfassung und Ausblick


25


26Zur Lektüre empfohlen:

http://www.dpg-fachgremien.de/t/ket/ketStudie/ketStudie.html

Broschüre der deutschen Teilchenphysiker zu Stand und Zukunft des Gebiets

Nov. 2002

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