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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 ?
4141
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.
4242
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