Ja, auch von mir einen schönen guten Abend.
Ich möchte Ihnen heute von Superbeschleunigern auf der Erde berichten,
müssen aber bei den Energien etwas bescheidener sein, aber dennoch
glaube ich, habe ich einiges Spannendes zu berichten vom Large Hadron
Collider.
Beschleuniger sind ein ganz wichtiges Werkzeug in der
Elementarteilchenphysik, wenn wir Fragen versuchen zu beantworten, die
eben schon vielfach angeklungen sind.
Was sind die kleinsten, was sind die fundamentalen Teilchen, wie
wechselwirken sie miteinander?
Und um diese Fragen beantworten zu können, benutzt man Teilchen
-Kollisionen.
Man bringt also Teilchen gegenläufig auf die höchsten Energien, die
man auf der Erde erzeugen kann.
Dann findet eine Kollision statt und dann verwenden wir einsteins
berühmtes E gleich mc², um die Energie, die diese Teilchen besitzen,
alleine die Bewegungsenergie, umzuwandeln in Masse.
E gleich mc² bedeutet letztlich, Masse ist eine Energieform und ich
kann Energie in Masse und Massenergie umwandeln, im Prinzip
jedenfalls, und beim Teilchenbeschleuniger wandeln wir die Energie der
Strahlen der Teilchen in Masse um.
Ich stelle mir das immer ganz gerne so vor, der Erdbeer-Erdbeer
-Kollider, wir kollidieren zwei Erdbeeren und raus kommt Matsch
natürlich, außer Sie machen das mit quantenmechanischen subatomaren
Teilchen, zum Beispiel Protonen.
Dann kommt nämlich statistisch gesehen, wenn Sie das ganz oft
wiederholen, jedes Mal was anderes raus, das eine Mal fliegt eine
Banane raus, das zweite Mal ein Apfel und dann vielleicht ein kleiner
Fisch, mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit.
Und die Idee ist jetzt also, so hohe Energien wie möglich und so
häufig wie möglich diese Kollisionen zu machen und dann zu schauen,
was rauskommt.
Da sagte ich eben schon, höher, schneller, weiter sind die
Anforderungen, die wir unsere Kollegen aus der Beschleunigerphysik
immer haben.
Wir hätten gerne die höchsten Energien, die wir auf der Erde erzeugen
können.
Dadurch, das habe ich Ihnen gerade erklärt, E gleich mc², können wir
schwerere, massivere Teilchen erzeugen.
Wir hätten aber auch gerne viele von den Teilchen und unser
Fachbegriff dafür nennt sich Luminosität.
Das könnte man vielleicht mit Leuchtkraft übersetzen.
Wir versuchen einfach die Rate seltener Prozesse zu erhöhen.
Ich habe gesagt, das sind statistische Prozesse.
Wenn ein Prozess extrem selten ist und ich es häufig genug und schnell
genug wiederhole mit möglichst vielen Teilchen, dann muss ich nicht so
lange warten, bis dieser Prozess im statistischen Mittel jedenfalls
wieder passiert.
Deswegen hätten wir gerne viele Teilchen auf engem Raum.
Ganz bildlich gesprochen, stellen Sie sich vor, Sie haben zwei
Strahlen, in denen sind sehr viele Elementarteilchen oder
zusammengesetzte Teilchen, Protonen.
Und wenn der Strahl relativ breit ist und wenige Teilchen drin sind,
dann entspricht das einer geringen Luminosität.
Wenn Sie den Strahl besser zusammenquetschen können, fokussieren
können und gleichzeitig es noch schaffen, mehr Teilchen reinzupacken,
dann haben Sie eine höhere Luminosität.
Und wenn die beiden Teilchenstrahlen dann kollidieren, ist die
Wahrscheinlichkeit höher, dass Sie in endlicher Zeit die Teilchen
finden, die Sie suchen.
Ja, das bringt mich tatsächlich jetzt zum Large Hadron Collider.
Hier sehen Sie eine schöne Luftbildaufnahme, das ist im Großraum Genf.
Hier hinten ist der Genfer See, hier die Innenstadt von Genf mit dem
Jet -Do, den man so gerade sieht.
Und hier unter der Erde befindet sich dieser große Ring, von dem eben
schon die Rede war, mehrfach 27 Kilometer im Umfang.
Für irdische Maßstäbe ist das der Beschleuniger, der Superlative.
Wie gesagt, 100 Meter ungefähr unter der Erde, 27 Kilometer im Umfang.
Und die Protonen, die wir darin beschleunigen, beschleunigen wir auf 6
,5 Billionen Elektronenvolt.
Das sind die 12 Nullen, die eben bei Ralph Engel schon mal
angesprochen wurden.
Sie können das in Prozent der Lichtgeschwindigkeit umrechnen, da sind
sehr viele 9 hier.
Interessanter für uns ist immer diese Zahl.
Die Strahlenergie ist auch nicht zu verachten.
In diesem Strahl packen Sie ja nicht nur eine Handvoll Teilchen.
Sie haben eben gehört, bei Ralph Engel, man muss 12 Jahre warten, um
14 hochenergetische Teilchen zu finden.
Hier haben wir ungefähr 300 Billionen Teilchen in dem Strahl
insgesamt.
Und wenn man deren Energie aufsummiert, kommt man auf 300 Megajoule.
Das kann man sich vielleicht nicht so gut vorstellen, aber in etwas
handfesteren Größen, wenn Sie eine ICE nehmen, da wirken ungefähr 400
Tonnen und den auf 140 Kilometer pro Stunde fahren lassen, dann hat
der ungefähr diese klinische Energie.
Wir haben noch ein paar mehr Superlative, nämlich auch den vermutlich
größten Kühlschrank der Welt.
Die Magnete, die wir brauchen, um den Strahl auf der großen Kreisbahn
zu halten, diese Magnete brauchen Kühlung, sind supraleitende Magnete,
die mit flüssigem Helium gekühlt werden müssen.
Davon haben wir 120 Tonnen auf diesem Riesenumfang.
Und für die Vorkühlung und diverse andere Sachen haben wir auch noch
10.000 Tonnen flüssigen Stickstoff.
Also, das ist sicherlich ein großes Ausmaß und Sie könnten sagen, der
erzählt uns ja bisher immer noch nichts Neues, das kommt jetzt gleich,
aber vorher möchte ich Ihnen noch erläutern, wie wir diese Experimente
machen, um das alles nochmal zusammenzufassen in einem kleinen Film.
Wir gehen jetzt hier in die Strahlröhre, hier sind die Magnete, wir
fliegen jetzt gleich über die schweizerisch-französische Grenze, da
sieht man es, im Tunnel und gleich begeben wir uns mit einem dieser
Teilchen im Tunnel, im Strahlrohr auf die Reise, das trifft gleich auf
ein anderes Teilchen, insgesamt sind es 300 Billionen, wie gesagt, und
hier, wo sie sich treffen, haben wir ein großes Nachweisgerät, einen
Teilchendetektor gebaut, da hat die Kollision stattgefunden, es kommen
Kollisionsprodukte raus, manche von denen zerfallen gleich wieder,
aber dann können wir deren Zerfallsteilchen detektieren und dieses
große Nachweisgerät ist eben dafür da, auf das, was bei der Kollision
passiert ist, zurückzuschließen.
Das ist also das Funktionsprinzip bei einem Teilchenbeschleuniger und
insbesondere natürlich auch beim LAC.
Ja, wie gesagt, der LAC, den gibt es jetzt schon seit ungefähr zehn
Jahren, als er eröffnet wurde, hat selbst Google das wahrgenommen, der
Start, wenn sich einige erinnern, war ein bisschen holprig, nach einem
Jahr ging es dann richtig los und Daten wurden genommen und das sehr
erfolgreich, denn der erste Datennahmelauf, der von 2010 bis 2012
lief, hat gleich die wichtigste Entdeckung bisher am LAC
hervorgebracht, das Higgs-Boson.
Hier sehen Sie Fabiola Gianotti, die mittlerweile Generaldirektorin
des CERN ist, damals die Sprecherin des Konkurrenzexperiments von uns,
die Ergebnisse vorstellen und diese beiden Herren hier waren
Ehrengäste, François Anglaire und Peter Higgs, die waren zwei der
Leute, die vor ungefähr 50 Jahren vorhergesagt haben, dass es dieses
Higgs -Teilchen geben soll und die auch dafür 2013 den Nobelpreis
bekommen haben.
Also das war ein großer Erfolg, aber wir haben in Run 2 ab 2015
weitergemacht, wir haben die Energie noch ein bisschen hochgedreht und
haben weitergesucht, ob wir vielleicht neue Teilchen finden und wir
haben insbesondere natürlich das neue Higgs-Boson vermessen, so gut
wir konnten, denn das Teilchenentdecken ist das eine und seine genauen
Eigenschaften zu verstehen ist das zweite und das ist ungemein
wichtig, um einfach zu überprüfen, ob unsere Idee von der Natur auf
der fundamentalen Skala die richtige ist.
Das als ganz kurzer historischer Abriss, jetzt möchte ich Ihnen kurz
erzählen, was wir in Karlsruhe daran arbeiten.
Hier ist das Experiment, an dem wir arbeiten, in so einer Skizze
gezeigt.
Es ist ein großes Experiment, wie man an diesem kleinen Männchen hier
sieht, 15 Meter hoch und ungefähr 20 Meter lang, das heißt CMS und
wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, draußen gibt es ein Modell von
CMS und auch ein Poster dazu, der wird natürlich auch nachher noch da
sein, um Ihnen da Fragen dazu zu beantworten.
Der Detektor funktioniert von innen nach außen so, die Kollisionen
finden in der Mitte statt, dann rekonstruieren wir die Spuren
geladener Teilchen in Spurdetektoren, dann messen wir die Energie
aller Teilchen, fast aller Teilchen, bis auf Neutrinos und Myonen im
Kalorimeter, alles, was dann noch entfleucht, sehen wir entweder gar
nicht, die Neutrinos oder die Myonen werden im Myondetektor
nachgewiesen.
Wir in Karlsruhe sind an diesem Experiment, wie gesagt immer, an
seinem vollen Lebenszyklus beteiligt und dazu gehört mehr dazu, als
nur zu untersuchen, was das Higgs denn so macht, denn man muss diesen
Detektor erstmal konzipieren, dann muss man ihn bauen, dann muss man
ihn betreiben, dann muss man das Computing zur Verfügung stellen, um
die riesigen Datenmengen auszuwerten und schließlich und endlich kann
man sich dann an die Analyse der Daten machen, um zum Beispiel das
Higgs -Boson zu entdecken.
Und an all diesen Sachen waren und sind wir sehr aktiv beteiligt.
Ich möchte einige wissenschaftliche Resultate hier kurz darstellen,
das sind also neuere oder neueste Resultate vom LAC.
Ein wichtiges Ergebnis zeige ich Ihnen hier, hier sehen Sie eine
gerade Linie, die sicherlich in die Lehrbücher der Zukunft eingehen
wird und in einigen vielleicht schon drinsteht.
Was sieht man da?
Unsere Theoretiker sagen uns, das Higgs-Boson ist für die Masse
verantwortlich, der Elementarteilchen, und je größer die Masse, desto
stärker koppelt das Higgs-Boson an das Teilchen.
Und das ist das, was hier gezeigt wird.
Hier ist die Teilchenmasse von verschiedenen bekannten Teilchen
aufgetragen und hier ist die Kopplungsstärke aufgetragen und es kommt
tatsächlich eine Gerade raus und nicht irgendeine, sondern genau die,
die hier gestrichelt vorhergesagt worden ist.
Also die Botschaft hier ist, das Higgs-Boson tut, was es soll, das
sorgt für die Masse der Teilchen.
Ein zweites Resultat aus dem letzten Jahr, an dem meine Arbeitsgruppe
stark beteiligt war, wir interessieren uns, wie koppelt das Higgs
jetzt wirklich genau an diese ganzen Elementarteilchen und die
schwersten davon, das Top-Quark und das Bottom-Quark und das Tau
-Lepton, die wurden untersucht.
Hier schauen wir uns die Wechselwirkung mit dem Top-Quark an.
Wir zeichnen hier solche sogenannten Feynman-Diagramme, das sind Raum
-Zeit -Diagramme, die Zeit läuft hier von links nach rechts, hier
kommen zwei Teilchen, die kollidieren und raus kommen zwei Tops und
ein Higgs und wir interessieren uns genau für diese Art von Prozess.
Dieser Prozess ist extrem selten und extrem gut versteckt unter
anderen Prozessen, die fast genauso aussehen.
Weil das so ist, muss man sich ziemlich anstrengen, um diesen Prozess
tatsächlich aus den Daten rausschälen zu können.
Das kann man hier erahnen, ich habe hier diese schwarzen Punkte, das
sind die Datenpunkte, das Graue darunter sind alle Prozesse, die so
aussehen, als ob sie das Signal wären, aber nicht sind und nur dieses
schraffierte hier ist das eigentliche Signal.
Sie sehen, da ist weit mehr Untergrund als das Signal.
Wir haben aber geschickte Methoden gefunden, um diesen Untergrund zu
unterdrücken und das Signal da rauszukitzeln und wir haben hier die
Daten einfach so sortiert, dass wir das hier besser schaffen und da
weniger gut.
Und hier sieht man tatsächlich das Signal, das am Ende rauskommt.
Künstliche Intelligenz war hier schon ein paar Mal das Schlagwort.
Das ist natürlich ein bisschen ein Modebegriff, wenn man ehrlich ist.
Es ist aber tatsächlich so, dass maschinelles Lernen in den letzten
drei, vier, fünf Jahren auf eine neue Stufe gehoben wurde und auch wir
wenden das hier an.
Eines der wichtigen Tools, das hier verwendet wird, das nennt sich
TensorFlow, kommt von Google und ist im Moment in aller Munde bei uns
und wir brauchen tatsächlich diese Methoden, sogenannte tiefe
neuronale Netze, um diese Art von Trennung von Signal und Untergrund
hinzubekommen.
Also hier sind wir auch hautnah an Technologien dran und unsere
Doktoranden werden da ausgebildet an Technologien, die wirklich an
vorderster Front sind und entsprechend nachgefragt sind eben unsere
Absolventen auch in allen möglichen Industrien im Moment.
Ich möchte noch ein weiteres Ergebnis diskutieren, das aber ein Nicht
-Ergebnis ist, leider.
Wir suchen nach allem Möglichen, was wir noch nicht kennen.
Es gibt da viele Ideen.
Wir haben auch sehr, sehr viel ausprobiert.
Da gibt es eine hohe Kreativität, aber bislang ist noch nichts
gefunden worden.
Ich habe Ihnen hier ein Beispiel mitgebracht, das ist die Suche nach
dunkler Materie.
Wir wissen aus kosmischen Beobachtungen, dass es dunkle Materie geben
muss.
Wir wissen aber nicht, was es ist.
Wir wissen nicht mal, ob es ein Teilchen ist oder nicht.
Aber wenn es ein Teilchen ist, dann ist die Hoffnung, dass wir es in
Teilchenkollisionen erzeugen können.
Das ist wieder in so einem Raumzeitdiagramm hier dargestellt.
Sie starten hier zum Beispiel mit zwei Quarks.
Die vernichten sich in ein sogenanntes Mittlerteilchen oder Mediator.
Und der Mediator zerfällt dann weiter in zwei dunkle Materieteilchen.
Dunkle Materie heißt deswegen dunkel, weil wir sie nicht sehen und wir
sie auch sonst kaum im Detektor nachweisen können.
Also im Detektor sieht man diese beiden Teilchen nicht und nichts kann
man vielleicht allerdings nicht nachweisen.
Deswegen brauchen wir noch die Abstrahlung eines weiteren Teilchens
hier.
Das kann alles Mögliche sein, um diese dunkle Materie hier
nachzuweisen.
Wie gesagt, rausgekommen ist bisher leider nichts.
Was man dann macht, ist in dieser Ebene der dunklen Materiemasse gegen
die Mediator-Mittlerteilchenmasse Ausschlussgrenzen zu erzeugen.
Also alles, was hier gelb unterlegt ist, da finden wir die dunkle
Materie schon mal nicht.
Und das ist auch ein wichtiges Resultat, weil Leute, die ausrechnen
und Modelle machen, wie könnte dunkle Materie aussehen, die wissen,
wenn sie ein Modell haben, das sowas vorhersagt, dann sind sie
garantiert auf dem Holzweg.
Okay, das war eine kleine Übersicht über wissenschaftliche Highlights
bisher.
Jetzt möchte ich ein bisschen in die Zukunft sehen und die geht noch
einige Jahre.
Der nächste große Schritt wird der LHC bei hoher Luminosität sein,
abgekürzt HL-LHC, der soll ab 2026 in Betrieb gehen.
Es gibt etwas mehr Energie, als wir bisher haben, es gibt aber viel
mehr Luminosität, sodass wir bis zum Ende des Programms, das im Moment
auf 2038 terminiert ist, 20 Mal mehr Daten haben werden, als wir
bisher schon haben.
Und Sie sehen schon, mit 20 Mal mehr Daten und neuen Methoden des
maschinellen Lernens beispielsweise, da geht noch einiges.
Und wir sind in Karlsruhe auch dafür beteiligt, ich greife mir jetzt
ein kleines Beispiel raus, das mir sehr am Herzen liegt, wir bauen
neue Direktoren dafür.
Und diese sind neu und innovativ, weil sie mehr Möglichkeiten bieten,
die Teilchen effizient aufzuzeichnen.
Wir haben hier solche Direktoren, die bestehen aus einer Doppellage
von Sensoren, die ganz dicht übereinander geklebt sind und extrem
genau gegeneinander ausgerechnet.
Prototypen davon, der leider noch nicht funktionsfähig ist, den
anderen wollten Sie mir nicht mitgeben, die Kollegen, habe ich hier.
Derjenige, der wirklich weiß, wie man sowas baut, sitzt übrigens da
hinten in der letzten Reihe und ich bin hier nur derjenige, der das
zeigt.
Also wenn Sie sich das nachher näher angucken möchten, können wir uns
das gerne zusammen anschauen, was sehr filigran ist, das aber in so
einem Riesendetektor von 15 Metern eingebaut werden wird.
Und das ist so eine Doppellage, das da vorne ist ja eine
Explosionszeichnung, hier ist es zusammengebaut.
Wofür ist die Doppellage gut?
Wir würden gerne so schnell wie es geht unterscheiden können, ob das
Teilchen viel Energie oder viel Impuls oder wenig Energie hat.
Wenn der Impuls hoch ist, dann ist die Teilchenspur im Magnetfeld
relativ gerade, wenn der Impuls niedrig ist, ist sie stark gekrümmt.
Und uns interessieren die geraden Spuren, die niedrigen Impulse mit
den krummen Spuren würden wir gerne so schnell wie möglich verwerfen.
Das brauchen wir dafür, damit wir nachher die Daten effizienter
aufzeichnen können und auch dazu gibt es Arbeiten in der Gruppe von
Professor Weber, wie man das später mit schneller Elektronik dann
ausbauen kann.
Ja, das wird uns einige Zeit beschäftigt halten.
Ich möchte jetzt ganz kurz zum Schluss den LHC verlassen und noch über
ein anderes Projekt sprechen, auf einer Folie über einen anderen
Superbeschleuniger, wo es allerdings nicht um die allerhöchsten
Energien geht, aber um die allerhöchste Präzision, die man erreichen
kann.
Man kann der Suche nach neuer Physik nämlich auch auf eine andere Art
begegnen, man kann hergehen und sagen, ich messe Prozesse besonders
genau und wenn ich dann eine Abweichung sehe von dem, was ich
theoretisch erwarte, dann lerne ich auch was Neues über die Natur.
Und so ein Experiment wird da aufgebaut, am Beschleuniger, der sich
SuperCagB nennt, das ist in Japan, hier sehen Sie so ein bisschen den
Beschleuniger angedeutet, der ist viel kleiner als der LHC und er
kollidiert auch andere Teilchen.
Er kollidiert Elektronen und ihre Antiteilchen, die Positronen, um
damit gezielt schwere Quarks zu erzeugen.
Und nochmal, es geht nicht um die höchsten Energien, es geht um
höchste Präzision hier und die erreicht man, indem man sehr, sehr
viele schwere Quarks erzeugt.
Die Luminosität, das ist nicht ganz fair, die zu vergleichen mit dem
LHC, weil es andere Strahlteilchen sind, aber sie ist 40 Mal höher als
der LHC im Moment erreicht.
Und auch da sind wir in Karlsruhe beteiligt, dort wird ein neues
Experiment in Betrieb genommen, das sich Bell 2 nennt und das geht
langsam voran.
Im April letzten Jahres gab es erste Kollisionen bei SuperKegB.
Hier sieht man, die Kollision findet hier in der Mitte statt und hier
sind die Teilchen, die aus dieser Kollision als Kollisionsprodukte
rauskommen.
Jetzt im Moment wird der Detektor nach und nach zusammengefügt und
später dieses Jahr und spätestens nächstes Jahr geht es richtig los
und auch da werden spannende Ergebnisse zu erwarten sein.
Das bringt mich zum Ende.
Superbeschleuniger brauchen wir in der Grundlagenforschung, um
fundamentale Fragen über unsere Natur zu beantworten.
Die ist unser Universum im Allerkleinsten aufgebaut.
Der derzeit leistungsfähige und größte ist der Large Hadron Collider
und Sie sehen schon auf diesem Bild ist der hier so klein in der Ecke.
Der wird uns eine Weile beschäftigen, aber wir denken natürlich auch
noch weiter in die Zukunft und vielleicht haben Sie es in der Presse
letzte Woche verfolgt, da wurde am CERN ein neues Projekt vorgestellt,
einen noch größeren Beschleuniger zu bauen mit 80 bis 100 Kilometer
Umfang, der könnte ungefähr dahin passen und läuft unter dem Namen
FCC, im Moment Future Circular Collider.
Man könnte allerdings auch darüber nachdenken, neue
Beschleunigertechnologien, die anders effizienter mit anderen
Technologien beschleunigen, zu bauen.
Alles das sind Zukunftsfragen, die spannend sind und die spannende
neue Projekte in Zukunft am Horizont erscheinen lassen.
Ich freue mich drauf und bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit.