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

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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 1 Die groen Zukunftsprojekte: Der Large Hadron Collider (LHC) und ein Elektron-Positron-Linearbeschleuniger Prof. Dr. G. Quast Institut fr experimentelle Kernphysik Universitt Karlsruhe (TH)
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 2 Was wir schon wissen... Der Teichenbaukasten ist komplett ! ? Drei der vier fundamentalen Wechsel- wirkungen sind gut verstanden !... und was auf jeden Fall noch fehlt ???
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 3 Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends: Ursprung der Massen der Elementarteilchen ? Gibt es den Higgs-Mechanismus, und wie funktioniert er ?
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 4 Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends: Vereinigung aller fundamentalen Krfte in einer Universalwechselwirkung ?
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 5 Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends: Unbekannte Formen von Materie ? z.B. supersymmetrische Materie als dunkle Materie
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 6 Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends: Was ist dunkle Energie ? 70% des Universums scheinen daraus zu bestehen ! Hochauflsende Messung der kosmischen Mikrowellen- Hintergrundstrahlung mit dem WMAP-Satelliten
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 7 Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends: Verborgene rumliche Dimensionen ? Ist unser Raum auch bei Abstnden von 10 -19 m noch dreidimensional?
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 8 1. Large Hadron Collider (LHC) am CERN (ab 2007) die Entdeckungsmaschine 2. Elektron-Positron- Linearbeschleuniger die Przisionsmaschine 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 fr spezielle Fragestellungen Neue Beschleuniger zur Beantwortung der offenen Fragen:
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 9 Der 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
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 10 LHC Parameter ~1600 geladene Teilchen im Detektor Hohe Teilchendichten sind eine Herausforderung fr die Detektoren 2835 2835 Proton-Proton-Pakete ( bunches) 10 11 Protonen/Paket Proton-Energie: 7 TeV Kreuzungsrate der p-Pakete: 40 Mhz bis zu 10 9 pp-Ste/sec Luminositt: 10 34 cm -2 s -1 Design, 0.210 34 cm -2 s -1 anfnglich 23 Ereignisse im Detektor berlagert
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 11 Wichtige Komponenten des Beschleunigers Supraleitende Magnete halten die Protonen auf der Kreisbahn grte Herausforderung: Magnetfeld von 9 Tesla insgesamt 1300 Stck, 15 m lang Betrieb bei einer Temperatur von 1.9 K LHC als grte supraleitende Anlage ist Herausforderung fr die Kryo-Technik !
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 12 pp-Kollision bei LHC Proton
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 13 Zwiebelschalenstruktur eines Detektors
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 14 Teilchenspuren im Detektor Selektive Rekonstruktion Tausende von Teilchenspuren in jedem Ereignis Manchmal gibt es ein paar interessante... z.B. Higgs: eines in 10 11 Kollisionen Herausforderung fr Detektorbau, Experimentiertechnik und Datenanalyse ! Interessante Physik passiert sehr selten, Analyse bedeutet Suche nach der Nadel im Heuhaufen!
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 15 Ereignis- und Daten-Raten bei LHC Detektoren haben einige 10 7 Kanle LHC Kollisionsrate: 40 MHz 10-12 bit/Kanal ~1000 Tbyte/s Rohdatenrate ! Nullunterdrckung und Trigger reduzieren Datenrate auf nur (einige) 100 Mbyte/s 1 Level 1 - Hardware Level 2 Online Farm 40 MHz (1000 TB/sec) quivalent Level 3 Online Farm 100 Hz (100 MB/sec 75 Khz (75 GB/sec komplett digitalisiert) 5 Khz (5 GB/sec) (Wenn 6 Milliarden Menschen gleichzeitig telefonieren, sind das (nur) 50 TB/sec ) Dieser Datenstrom muss weltweit verteilt werden !
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 16 Teilchenphysik ist international 267 Institute in Europa, 4600 Physiker 208 Institute anderswo, 1600Physiker sind an CERN-Projekten beteiligt. Grid-Computing verbindet die weltweiten Ressourcen der Teilchenphysiker
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 17 Das World-Wide-Grid zur Analyse der LHC-Daten (Bsp. CMS) Datenanalyse auf einem virtuellen Supercomputer...
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 18 GridKa am Forschungszentrum Karlsruhe
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 19 Der CMS-Detektor E Einiges ist bereits Realitt...
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 20 Der Silizium-Spurdetektor Qualittskontrolle von 25% aller Sensoren Qualifizierung der Sensoren bzgl. Strahlungshrte Bonden, Testen von 1600 Modulen Montage von 50 Petals Montage einer Endkappe 5.4m Karlsruher Verantwortung: 215 m 2 Siliziumstreifendetektoren mit 10 Mio elektronischen Kanlen
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 21 Simulierte Ereignisse im Detektor Die geraden roten Linien stammen von einem simulierten Higgs-Boson mit 120 GeV Masse
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 22 Bsp.: Die Suche nach dem Higgs mit CMS H H Z Z H 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 !
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 23 Elektron-Positron Linearbeschleuniger Alternative Strategie: Przisionsmessungen statt hchstmglicher Energie e + e - Collider ideal fr genaueste Messungen: Punktfrmige Teilchen Nur elektroschwache Wechselwirkung im Anfangszustand Schwerpunktsenergie genau einstellbar Vollstndige Ereignis- rekonstruktion TESLA (in Hamburg?)
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 24 Zusammenfassung und Ausblick
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 25
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  • Gnter Quast Karlsruhe, 4. Oktober 2004 Institut fr experimentelle Kernphysik 26 Zur Lektre empfohlen: http://www.dpg-fachgremien.de/t/ket/ketStudie/ketStudie.html Broschre der deutschen Teilchenphysiker zu Stand und Zukunft des Gebiets Nov. 2002