Die Zukunft der Teilchenphysik Ziele und .Teilchenphysik und Kosmologie Verständnis der Elementarteilchenphysik

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Die Zukunft der Teilchenphysik

Ziele und technologischeHerausforderungen

Prof. Dr. Michael FeindtProf. Dr. Gnter QuastInstitut fr Experimentelle KernphysikUniversitt Karlsruhe

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Die Zukunft der Teilchenphysik

Ziele und technologischeHerausforderungen

Prof. Dr. Michael FeindtProf. Dr. Gnter QuastInstitut fr Experimentelle KernphysikUniversitt Karlsruhe

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Elementarteilchenphysikbeschftigt sich mit den kleinsten Strukturen im Universum

Die Weltim Kleinen

m1km 0,001 m 01 0

Rosen

44

Die Weltim Kleinen

m1km 0,001 m 01 0

Rosen

55

Die Weltim Kleinen

Rosenblatt

m 1 0.dm 1

m 01 -1

66

Die Weltim Kleinen

Fliege

m 01 0.cm 1

m 01 -2

77

Die Weltim Kleinen

Fliegenauge

m 001 0.mm 1

m 01 -3

88

Die Weltim Kleinen

Fliegenauge

m 1 000 0.m 100 m 01 -4

99

Die Weltim Kleinen

Detail imFliegenauge

m 01 000 0.m 10

m 01 -5

1010

Die Weltim Kleinen

Elektronen-mikroskop-Aufnahme

m 001 000 0.m 1

m 01 -6

1111

Die Weltim Kleinen

Elektronen-mikroskop-Aufnahme

m 1 000 000 0.nm 100

m 01 -7

1212

Die Weltim Kleinen

DNS-Molekl

m 01 000 000 0.nm 10

m 01 -8

1313

Die Weltim Kleinen

Molekl

m 001 000 000 0.nm 1

m 01 -9

1414

Die Weltim Kleinen

Atomebestehen aus

Kern und Elektronenhlle

m 1 000 000 000 0.nm 0.1

m 01 -10

1515

Die Weltim Kleinen

Atome sindfast leer,der Kern

ist sehr klein

m 01 000 000 000 0.pm 10

m 01 -11

1616

Die Weltim Kleinen

Atome sindfast leer,der Kern

ist sehr klein

m 001 000 000 000 0.pm 1

m 01 -12

1717

Die Weltim Kleinen

Radius des Kerns nur

ca. 1/10.000 der innersten

Elektronenbahn

m 1 000 000 000 000 0.fm 100

m 01 -13

1818

Die Weltim Kleinen

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen

m 01 000 000 000 000 0.fm 10

m 01 -14

1919

Die Weltim Kleinen

Proton/Neutronbestehen

aus Quarks

m 001 000 000 000 000 0.fm 1

m 01 -15

2020

Die Weltim Kleinen

PunktfrmigeQuarks und Leptonen

m 1 000 000 000 000 000 0.fm 0.1

m 01 -16

2121

Die Weltim Kleinen

PunktfrmigeQuarks und Leptonen

m 01 000 000 000 000 000 0.fm 0.01

m 01 -17

2222

Die Weltim Kleinen

PunktfrmigeQuarks und Leptonen

m 001 000 000 000 000 000 0.fm 0.001

m 01 -18

2323

Die Weltim Kleinen

Quarks undLeptonenwirklichgar keine

Ausdehnung?

??

m 1 000 000 000 000 000 000 0.fm 1 0.000 m 01 -19

2424

Teilchenphysik und Kosmologie

Verstndnis der Elementarteilchenphysik ist entscheidend fr dasVerstndnis des sehr frhen Universums.

Je hher die Energie, desto nher kommen wir an den Urknall heran.

Jetzt sind wir bei ca. 0 , 000 000 000 001 Sekunden.

2525

Urknall

2626

Der Stand der Dinge

Gnter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut fr experimentelle Kernphysik

1Heutiger Stand

Einfaches Baukastenprinzipzum Aufbau der

bekannten Materie

2727

Heutiger Stand

Einfaches Baukastenprinzipzum Aufbau der

bekannten Materie

2828

Heutiger Stand (2)Einheitliches Prinzip zur Beschreibung von Krften: Austauschteilchen

Nur vier Grundkrfte

Gravitation entzieht sich dereinheitlichen Beschreibung !

2929

Gegenwart und nahe Zukunft:

Nahe Vergangenheit:LEP: e+e- Collider bei hohen Energien (90-200 GeV)

Gegenwart und nahe Zukunft: HERA: Elektron-Proton-Collider zur Erforschung der Struktur des Protons B-Fabriken: asymmetrische Niederenergie e+e- Collider) (10 GeV) Tevatron: Proton-Antiproton-Collider bei hchsten Energien (2000 GeV)

Fernere Zukunft: Large Hadron Collider LHC (ab 2007)Elektronen-Linearbeschleuniger

3030

Elektron-Elektron-PositronPositron-Kollisionen-KollisionenSymmetrische Kollisionen bei hohen Energien (z.B. LEP).

Sehr saubere Ereignisse,weil Elektronenpunktfrmig sind.

Messungen bei LEP haben das Standardmodell mit sehrhoher Przision besttigt.KEK

Fermilab

SLACCERN

DESYCornell

3131

Der LEP - Speicherring am CERNDer LEP - Speicherring am CERN

3232

Das CERN in GenfDas CERN in Genf::gegrndet 1957

ca. 3000 Angestellte (davon 4 Nobelpreistrger) und 6000 Gste(incl. Nobelpreistrger) aus 500 Instituten der ganzen Welt

Jahresbudget ca. 1.000.000.000 CHF

(Jeder deutsche Brger: ca. 2 Euro / Jahr)

Stromverbrauch ca. 1.000.000 MWh/ Jahr

LEP: 7 Jahre Bau und 12 Jahre Operation ( 1989 - 2001 )

Zukunftsprojekt LHC im LEP Tunnel, Betrieb ab ca. 2007

3333

BlickBlick in denin den Tunnel:Tunnel:27 km27 km

Magnete undMagnete undBeschleunigungsstreckenBeschleunigungsstrecken

Im Strahlrohr:Vakuum besser als im interstellaren Raum

3434

SupraleitendeSupraleitendeBeschleunigungsstreckeBeschleunigungsstrecke

fr LEP IIfr LEP II

Supraleitung: extreme Khlung notwendig:nur knapp ber dem absoluten Nullpunkt(klter als die kosmische Hintergrundstrahlung)

3535

Zugang zum DELPHI-ExperimentZugang zum DELPHI-Experiment

3636

100 Meter tiefer: DELPHI100 Meter tiefer: DELPHI

3737

DELPHI EndplatteDELPHI Endplatte

3838

3939

OPA

L Ex

perim

ent

am L

EP

4040

Offene Fragen

Gnter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut fr experimentelle Kernphysik

1Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends:

Ursprung der Massen der Elementarteilchen ? Vereinigung aller fundamentalen Krfte in einer Universalwechselwirkung ? Unbekannte Formen von Materie ? z.B. supersymmetrische Materie dunkle Materie

Natur der dunklen Energie ? Verborgene rumliche Dimensionen ?

??? ??

Gnter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut fr experimentelle Kernphysik

Offene Fragen zu Beginn des 3 Jahrtausends:

Ursprung der Massen der Elementarteilchen ? Vereinigung aller fundamentalen Krfte in einer Universalwechselwirkung ? Unbekannte Formen von Materie ? z.B. supersymmetrische Materie dunkle Materie

Natur der dunklen Energie ? Verborgene rumliche Dimensionen ?

Gnter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut fr experimentelle Kernphysik

Higgs-Mechanismus zur Massenerzeugung ?

Party-Gste im Grundzustand

Higgs-Feld

(Ge-)Wichtige Persnlichkeit betritt den Raum

Wechselwirkungmit dem Higgs-Feld =>> Masse

Gnter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut fr experimentelle Kernphysik

Higgs-Mechanismus (2)

Ein Gercht breitet sich im Raum aus

Higgs wechselwirkt mit sich selbst !

Higgs hat selbst Masse !

Gnter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut fr experimentelle Kernphysik

Vereinheitlichung der KrfteBei kleinen Abstnden werden die Krfte immerhnlicher.

Gibt es einsupersymmetrische Spiegelwelt ?

Gnter Quast Karlsruhe, 5. Juli 2003 Institut fr experimentelle Kernphysik

Dunkle Materie & Dunkle EnergieNeueste Astrophysikalische Beobachtungen: 70 % der Energiedichte des Universums sind dunkle Energie nur 4% der Energiedichte von uns bekannter Materie Rest ist Dunkle Materie

Was ist die Natur der Dunklen Energie ? Was ist die Dunkle Materie ?

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Proton-Proton-AntiprotonAntiproton-Kollisionen-Kollisionen

Mit Protonen sind hhere Energien als mit Elektronen erreichbar(LEP II: 200 GeV ==> Tevatron: 2000 GeV, LHC 14000 GeV)Preis fr hohe Energie: (weil Protonen zusammengesetzte Objekte sind): --- Ereignisse sind viel komplizierter (mehr Spuren) --- meist steht nur kleiner Teil der Energie fr interessante Physik zur Verfgung Protonenbeschleuniger sind hauptschlich ,,Entdeckungsmaschinen,Elektronenbeschleuniger ,,Przisionsmessungsmaschinen.

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Der pp-Der pp-Collider TevatronCollider Tevatron

Main Ringund Tevatron

Neuer MainInjector

Fixed-TargetExperimente

CDFD0

Hauptgebude

Fermi National Accelerator Laboratoryin Batavia nahe ChicagoFermiFermi National National Accelerator LaboratoryAccelerator Laboratoryin in Batavia Batavia nahe Chicagonahe Chicago

Weltrekord in Energie:2 TeV = 2000 GeV

KEK

SLAC

DESY

CERN

Cornell

Fermilab

Top-Quark-Physikb-Quark-PhysikStarke WWSuche nach neuen Phnomenen

4343

Das CDF- ExperimentDas CDF- Experiment

>460 Wissenschaftler47 Institute9 Lnder

4444

...

...

Hadronen-Therapie fr ansonsten unbehandelbare Tumore

Das World Wide Web

Grid-Computing

NeuroBayes - Neuronale