Der Large Hadron Collider (LHC) ...ein Rundgang durch das größte Experiment der Welt

1 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Übersicht
Die Welt der Elementarteilchen


Teilchenbeschleuniger


Teilchendetektoren


Technologietransfer

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Die Welt der Elementarteilchen

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Grundfrage der Teilchenphysik

Aus was besteht die Welt? 4 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Materie

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Atom

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Elektron

Atomkern 7 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Proton

Neutron 8 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Quarks

9 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Quarks

Proton

Neutron

+2/3 e +2/3 e

u

-1/3 e -1/3 e

u

d

d -1/3 e

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d u +2/3 e

Elementarteilchen

Elektron

u

d

up-Quark

down-Quark

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Kosmische Strahlung
Entdeckung weiterer Elementarteilchen

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Elementarteilchen

Elektron

u up-Quark

d down-Quark

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Elementarteilchen

Elektron

Myon

u

s

up-Quark

strange-Quark

d down-Quark

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Kosmische Strahlung
Beobachtung in Ballons und auf Bergen  mühsam!

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Frage
Wie lautet Einsteins berühmte Gleichung?

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Frage
Wie lautet Einsteins berühmte Gleichung?

2 E=m•c

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Teilchenbeschleuniger
Künstliche Erzeugung neuer Teilchen bei Teilchenkollisionen, E=m•c2

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Elementarteilchen

Elektron

Myon

u

s

up-Quark

strange-Quark

d down-Quark

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Elementarteilchen

Elektron

Myon

u

s

up-Quark

strange-Quark

Tauon

d down-Quark

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Elementarteilchen

Elektron

Myon

Tauon

u

s

b

up-Quark

strange-Quark

bottom-Quark

d

c

t

down-Quark

charm-Quark

top-Quark

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Elementarteilchen

Elektron

e-Neutrino

Myon

µ-Neutrino

Tauon

τ-Neutrino

u

s

b

up-Quark

strange-Quark

bottom-Quark

d

c

t

down-Quark

charm-Quark

top-Quark

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Offene Fragen

Elektron

e-Neutrino

Myon

µ-Neutrino

Tauon

τ-Neutrino

Masse der Elementarteilchen?

u

s

b

up-Quark

strange-Quark

bottom-Quark

d

c

t

down-Quark

charm-Quark

top-Quark

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Higgs-Feld

Peter Higgs

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Higgs-Feld

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Higgs-Feld

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Higgs-Feld

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Higgs-Teilchen

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Higgs-Teilchen

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Higgs-Teilchen

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Dunkle Materie

m⋅M F = −G ⋅ 2 r 31 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Dunkle Materie

m⋅M F = −G ⋅ 2 r 32 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Dunkle Materie

„Dunkle Materie“

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Offene Fragen
Higgs-Teilchen


Dunkle Materie


...

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Der Large Hadron Collider am CERN
Länge: 27 km
100 m unter der Erde
4 Teilchendetektoren

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Teilchenbeschleuniger

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Teilchenbeschleuniger in der Schule

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Teilchenbeschleuniger in der Schule
Braun‘sche Röhre


Oszilloskop


Fadenstrahlröhre


TV-Gerät

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Fragen
Wie erzeugt man freie Elektronen?
Wie beschleunigt man geladene Teilchen?

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Fadenstrahlröhre

Kathode

UA

Anode

41 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Fadenstrahlröhre

Kathode

UA

Anode

42 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Fadenstrahlröhre

Kathode

UA

Anode

43 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Fadenstrahlröhre

Kathode

UA

Metallzylinder

Anode

44 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Fadenstrahlröhre

Kathode

UA

Metallzylinder

Anode

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CERN-Protonenquelle

47 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

CERN-Protonenquelle 90 kV

Glühkathode

48 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

CERN-Protonenquelle 90 kV

Glühkathode

49 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

CERN-Protonenquelle 90 kV

Glühkathode

50 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

CERN-Protonenquelle 90 kV

Zwischenelektrode

Glühkathode

51 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

CERN-Protonenquelle 90 kV

Zwischenelektrode

Glühkathode

Anode 52 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

CERN-Protonenquelle 90 kV

Zwischenelektrode

Glühkathode

Anode 53 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Wasserstoff

CERN-Protonenquelle 90 kV

Zwischenelektrode

Glühkathode

Anode 54 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Wasserstoff

Protonen-Erzeugung

beschleunigtes Elektron

Wasserstoff-Atom

55 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Protonen-Erzeugung

Proton

56 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Protonen-Erzeugung

Proton

57 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Protonen-Erzeugung

Proton

58 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

CERN-Protonenquelle 90 kV

Zwischenelektrode

Glühkathode

Anode 59 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Wasserstoff

CERN-Protonenquelle

60 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

CERN-Protonenquelle

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Linearbeschleuniger

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Kreisbeschleuniger
Vorteil: die gleiche Beschleunigungsstrecke mehrmals durchlaufen

~

Wie bringt man Teilchen auf eine Kreisbahn?

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Fadenstrahlröhre

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Synchrotron

Homogenes Magnetfeld (Dipol)

UA groß

 Beschleunigung und Magnetfeld synchron hochfahren

Kathode mit WehneltZylinder 65 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

UA klein

UA

Anode

Kreisbeschleuniger

Beschleunigungsstrecke Einschleusung

Ablenkmagnet

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LHC-Spiel

Start

(Internetverbindung erforderlich)

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LHC und Vorbeschleuniger

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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

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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

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Large Hadron Collider
LHC-Temperatur • Kälter als das Weltall!

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Large Hadron Collider

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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 9

12000

Beam dump

8

≈ 18 Mins 15 Mins

Injection

≈ 15 Mins

Ramp Squeeze

≈ 28 Mins ≈ 20 Mins

Prepare Physics Physics

≈ 10 Mins 0 - 20 Hrs

7 Ramp down 6

8000

Prepare Physics

Physics 6000

5 4

Preinjection plateau

3

4000

2 2000

1

Injection

0

0 -3000

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

Time [s]

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0

500

1000

Start ramp

1500

2000

B [T]

Pre-Injection Plateau

10000

MB current

Ramp down

Teilchendetektoren

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CMS-Detektor
Länge: 25 m
Höhe: 16 m
Gewicht: 12.500 t
Mitarbeiter: • 2310 Wissenschaftler • 38 Staaten • 175 Institute

55 aus Karlsruhe

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CMS-Detektor

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CMS-Detektor

Strahlrohr

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CMS-Detektor

Spurdetektoren

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CMS-Detektor
Spurdetektoren • • • •

Streifen und Pixel aus Silizium (=„Digitalkamera“) Fläche: 220 m2 40 Mio. Fotos 60 Millionen elektronische Kanäle pro Sekunde Länge: 6 m

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CMS-Detektor

Spurdetektoren

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CMS-Detektor

Kalorimeter

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CMS-Detektor
Kalorimeter • Teilchen regen spezielle Materialien zur Lichtemission an • Messung der Energie

ionisierendes Teilchen Photodetektor

Szintillator

Lichtleiter

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CMS-Detektor

Kalorimeter

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CMS-Detektor

Spule

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CMS-Detektor

Myonkammern

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Kalorimeter
Myonkammern • Gasdetektor = Geiger-Müller-Zählrohr Außenelektrode Füllgas

ionisierendes Teilchen

Innenelektrode

Signal

U0 87 | Der Large Hadron Collider | Institut für Experimentelle Kernphysik

Kalorimeter
Myonkammern • Vieldraht-Proportionalkammer ionisierendes Teilchen

Anodendrähte

Kathodendrähte

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CMS-Detektor

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Bestimmung von Impuls und Ladung

r B

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Bestimmung von Impuls und Ladung FL = FZ m ⋅ v2 rq ⋅ v ⋅ B = r

B

r q ⋅ B ⋅r = m ⋅v = p

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Technologietransfer

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Technologietransfer

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Technologietransfer
World Wide Web

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Technologietransfer
Medipix-Kamera

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Technologietransfer
Teilchenbeschleuniger in der Medizin

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Technologietransfer
Teilchenbeschleuniger in der Industrie • • • •

Polymerisation von Kunststoffen Sterilisierung von Lebensmitteln und medizinischen Geräten Dotieren von Halbleitern Werkstoffüberprüfung

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Technologietransfer
Das Grid

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Large Hadron Rap

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