Galaxiencluster, Galaxiencluster, dunkle Materie dunkle Materie und der LHCund der LHC

Dunkle MaterieDunkle Materie

August 2006: “NASA Finds Direct Proof of Dark Matter”

http://chandra.harvard.edu/press/06_releases/press_082106.html

dunkle Materie

MaterieMaterie

Gravitational LensingGravitational Lensing“Gravitationslinseneffekt”

Dunkle Materie (2)Dunkle Materie (2)

Es darf also angenommen werden, dass “dunkle Materie” existiert. Doch was ist sie, woraus besteht sie? Kann sie auf der Erde hergestellt werden?

Wir hoffen (und erwarten), dass die Teilchenphysik die Antworten wird liefern koennen.

Wir wissen bereits, dass ein Dunkle-Materie-Teilchenmindestens die Masse von 50 Protonen besitzen muss.

Wie kann ich dunkle Materie also hier auf der Erde nachweisen?

Mit einem Teilchenbeschleuniger!

Beschleuniger (1)Beschleuniger (1)

Erster Schritt: Produzieren des Teilchens:

Wir benötigen die Energie von mindestens 50 Protonenmassen!Einfach: man nimmt 100 Protonen und schiesst sie gegen eine Wand?Besser: man nimmt zwei PKWs (> 1029 Protonen) und lässt sie gegeneinander fahren?(oder ein PKW gegen eine Wand?)

Beschleuniger (2)Beschleuniger (2)

•Wir brauchen hohe Energiedichten, die ganze Energie in einem Punkt konzentriert!•Deshalb müssen wir Elementarteilchen beschleunigen!

•Mehrere Kandidaten:

•- Neutronen, Photonen – sind neutral, lassen sich nicht beschleunigen,

•- (Anti-)Elektronen – gut, sind aber sehr leicht,

•- (Anti-)Muonen – gut, schwerer als Elektronen, zerfallen aber,

•- (Anti-)Protonen – gut, sind schwer, aber zusammengesetzte Teilchen.

•Damit ein Proton sein Tausendfaches wiegt, muss man es auf 0.999999-fache Lichtgeschwindigkeit beschleunigen.•CERN produziert “Antimaterie” (Positronen, Antiprotonen, Antiwasserstoff)•jedoch nur sehr wenig – viel, viel weniger als ein Gramm!

Beschleuniger (3)Beschleuniger (3)

Zwei Arten von Beschleunigern: Linearbeschleuniger und Ringbeschleuniger.

Ringbeschleuniger: Beispiel LEP/LHC. Vorteil: ringförmig :-)Nachteil: “Synchrotronstrahlung” (Teilchen müssen immer “zur Mitte” beschleunigt werden) = eine Funktion der Masse.Protonen!

Linearbeschleuniger: Beispiel ILC. Vorteil: keine Synchrotronstrahlung!Elektronen!

LHCLHCLHC

LHC (2)LHC (2)

LinearbeschleunigerLinearbeschleunigerILC

Der LHC in ZahlenDer LHC in ZahlenUmfang: ca. 30 km

Geschwindigkeit: fast Lichtgeschwindigkeit (300,000 km/s)

Anzahl der Umläufe eines Protons pro Sekunde: ca 10,000

Beginn des Designs: 1984

Geplanter Start: Juli 2008

Leistung: 120 MW

Temperatur der supraleitenden Magneten: 1.9K (kälter als das Weltall).

Zweiter Schritt:Zweiter Schritt: Nachweis der Teilchen Nachweis der Teilchen

Wir brauchen: eine Apparatur, die von möglichst allen stabilen Teilchen- die Art der Teilchen,- ihre Impulse,- ihre Ladung- und Energiemisst.

KameraKamera

Im innersten Teil eines solchen Detektors verwenden wir meist eine Art “Digitalkamera”:

Chip einerDigitalkamera

CMS TrackerCMS Tracker

Von den Signalen, die eine geladene Spur im “Tracker” hinterlässt, kann man auf die Spur “zurückrechnen”.

KalorimeterKalorimeter... Kristalle (Szintillatoren) zum Messen der Energie ...

KalorimeterKalorimeter

... für Elektronen und Photonen ...(“elektromagnetisches Kalorimeter”)

KalorimeterKalorimeter... so wie für Hadronen und hadronische Jets (“Quarks”)

MagnetfeldMagnetfeld... und ein Magnetfeld, in dem sich die Teilchenbahnen krümmen, und dadurchihr Impuls messbar wird!

Und dann noch einen “Tracker”, der Muonspuren aufzeichnet!

Fertig ist der Detektor!Fertig ist der Detektor!

Bild eines simulierten Ereignisses – eines Dunklen-Materie-Teilchens?

BACKUP

DatenmengenDatenmengen

Ein bisschen Rechnen:

wir würden ein schwarzes Loch bei jeder milliardsten Kollision produzieren.Wir wollen aber viele schwarze Löcher (wenn es sie gibt), um gute statistische Aussagen machen zu können.

Bei LHC kollidieren 20-25 Protonen gleichzeitig, und das 40 Millionen mal pro Sekunde. Das ergäbe also ein schwarzes Loch pro Sekunde, oder 10 Tage um 1 Million schwarze Löcher zu produzieren.

Aber: jedes Ereignis, jedes “Bild” braucht (“roh”) ca. 25 MB.25 MB * 40,000,000 s-1 = 1000 Terabyte (1 Million Gigabyte) pro Sekunde!Wir müssen also komprimieren, filtern und die Daten auf viele Rechner verteilen!

Filter Farm und das GridFilter Farm und das Grid

Ein paar tausend Linux-Computer filtern die Ereignisse, bis nur noch 100-200 MB/s (pro Experiment!) übrig bleiben. Diese Ereignisse werden über das “Grid” weltweit verteilt, und den Physikern verfügbar gemacht.