Tim Pritlove: Hallo und herzlich willkommen zu Raumzeit, dem Podcast über Raumfahrt und andere.
Tim Pritlove: Kosmische Angelegenheiten.
Tim Pritlove: Mein Name ist Tim Pridlaff und ich begrüße alle hier zu einer weiteren Ausgabe von Raumzeit.
Tim Pritlove: Und wie schon in den letzten Sendungen sich abgezeichnet hat,
Tim Pritlove: heute geht's wieder um das ZERN.
Tim Pritlove: Ich bin hier in Genf vor Ort und spreche mit einer ganzen Reihe von Gesprächspartnern.
Tim Pritlove: Und so auch in dieser Sendung. Und heute geht es um die Detektoren,
Tim Pritlove: die es ja hier so einige gibt, an dem großen Large Hadron Collider,
Tim Pritlove: dem großen Beschleunigerring, der hier aufgebaut worden ist in den letzten Jahrzehnten
Tim Pritlove: und fleißig betrieben wird und wie man ja auch schon gehört hat zu diversen
Tim Pritlove: wissenschaftlichen Erkenntnissen geführt hat.
Tim Pritlove: Und diese Erkenntnisse gäbe es nicht, würde nicht das, was da beschleunigt wird,
Tim Pritlove: auch mal ausgelesen werden.
Tim Pritlove: Es muss ja auch was kollidieren, wenn man diese Kollision auswerten will.
Tim Pritlove: Und eine dieser Kollisionsmaschinen, dieser Detektoren heißt ALICE,
Tim Pritlove: Large Ion Collider Experiment und darüber spreche ich heute mit Kai Schweda.
Tim Pritlove: Hallo, herzlich willkommen bei Raumzeit.
Kai Schweda: Hallo Tim, gut dich zu sehen.
Tim Pritlove: Ja, Kai du bist, stimmt das, Alice Deputy Spokesperson steht hier.
Kai Schweda: Genau, seit Januar diesen Jahres für drei Jahre. Spokesperson wird demokratisch
Kai Schweda: gewählt von den teilnehmenden Instituten und alle drei Jahre gibt es einen neuen
Kai Schweda: Spokesperson. Und der ist auch nicht wiederwählbar, das heißt nach drei Jahren ist es vorbei.
Tim Pritlove: Aha, warum macht man das?
Kai Schweda: Generell ist es am Zehren so, dass auch die Generaldirektorin,
Kai Schweda: die wir jetzt haben, von den Mitgliedstaaten gewählt wird.
Kai Schweda: Das macht man, dass Machtstrukturen nicht verkrusten. Wir haben ja gesehen,
Kai Schweda: wenn eine Kanzlei in Deutschland vier Legislaturperioden überlebt...
Kai Schweda: Da haben die Leute die Schnauze voll. Und genau das ist das Ziel vom CERN.
Kai Schweda: Selbst die Sekretärinnen in den Sekretariaten wechseln alle 5 oder 6 Jahre die Abteilung auch um,
Kai Schweda: natürlich auch wenn man eine bestimmte Aufgabe eine Zeit macht,
Kai Schweda: wird es sehr routinemäßig, dann sehen die andere Abteilungen und das wird sehr
Kai Schweda: aktiv betrieben beim CERN.
Tim Pritlove: Es gibt ja auch genug, wo man durchrotieren kann. Also es bleibt abwechslungsreich.
Tim Pritlove: Und ich denke das schärft dann auch den Blick für das Ganze dann doch auch,
Tim Pritlove: dass man sieht, aha andere Abteilungen machen auch cooles Zeug und haben aber
Tim Pritlove: vielleicht einen anderen Stil und dann übertragen sich natürlich auch Erfahrungen.
Tim Pritlove: Aber das heißt, dass man nicht mehr so viel Wissenschaft macht oder?
Tim Pritlove: Wenn man Spokesperson ist oder ist das nur so ein Anhängsel?
Kai Schweda: Nach wie vor zwei Doktoranden, die ich betreue, die unsere Daten auswerten und
Kai Schweda: Physikanalyse betreiben und die auch veröffentlichen die Ergebnisse.
Tim Pritlove: Also es ist eigentlich nur so ein zusätzlicher Job und kein neuer.
Kai Schweda: Also ich denke Spokesperson, das ist ja der CEO wäre das, bei einer großen Aktiengesellschaft
Kai Schweda: oder im deutschen Sprachraum ist das der Vorstandsvorsitzende.
Kai Schweda: Ich bin der Stellvertreter.
Kai Schweda: Und ich behalte noch mehr 10% meiner Zeit für Dinge, die mir Spaß machen,
Kai Schweda: zum Beispiel Doktorandbetreuung, ich mache noch Lehre in der Uni Heidelberg
Kai Schweda: in der Physik und das will ich nicht aufgeben. Als Brooks-Person wird es vielleicht anders.
Tim Pritlove: Wie hat es dann angefangen mit der Wissenschaft?
Kai Schweda: Ich denke schon in der Schule, so rückblickend waren immer die Naturwissenschaften
Kai Schweda: das, was mich interessiert hat und dann im Studium war es die Kernphysik.
Kai Schweda: Alles andere hat mich dann weniger interessiert.
Tim Pritlove: Warum?
Kai Schweda: Das kann ich nicht sagen. Vielleicht ist das Purismus,
Kai Schweda: dass man die Kern- und Teilchenphysik versucht ja die Natur zu beschreiben,
Kai Schweda: indem man die Kräfte auf fundamentale Teilchen und fundamentale Wechselwirkungen
Kai Schweda: reduziert und vielleicht ist es dieser Reduktionismus, den ich so attraktiv finde.
Tim Pritlove: Ja und auch natürlich dieser Teilchen Zoo, das hatten wir ja schon im Eingangsgespräch,
Tim Pritlove: Standardmodell, das ist einfach so das, was alles definiert.
Tim Pritlove: Von daher glaube ich auch nochmal besonders interessant sein kann.
Kai Schweda: Da gibt es unterschiedliche Meinungen, wir versuchen das,
Kai Schweda: wie gesagt, über fundamentale Teilchen- und Wechselwirkungen zu beschreiben,
Kai Schweda: aber selbst wenn man diese Wechselwirkungen nicht beliebig genau kennt,
Kai Schweda: könnte niemand ausrechnen, welche Formation eine Schneeflocke wenn man also
Kai Schweda: Systeme hat, die aus sehr vielen Teilchen bestehen.
Kai Schweda: Prinzipiell kann man das machen, es gelingt aber keinem, weil dann gibt es eben
Kai Schweda: kollektive Phänomene, die nicht immer aus den fundamentalen Wechselwirkungen kommen.
Tim Pritlove: Oder anders ausgedrückt, Europa braucht unbedingt ein Schneeflockenformungsforschungszentrum.
Kai Schweda: Nein, ich will das nicht ins Lächerliche ziehen, aber es gibt auch emergente
Kai Schweda: Phänomene, auch ALICE beschäftigt sich damit, vielleicht kommen wir da noch
Kai Schweda: später drauf, die man eben nicht so einfach aus den fundamentalen Wechselwirkungen herleiten kann.
Tim Pritlove: Alles nicht so einfach. Trotz alledem gibt es den Bedarf hier mal ins Detail zu gehen.
Tim Pritlove: Ja, Alice. Also ich habe es schon gesagt, Large Ion Collider Experiment mit
Tim Pritlove: den Abkürzungen ist ja immer so eine Sache. Man will immer auf irgendwas hinaus.
Tim Pritlove: Eine schöne Abkürzung, liest sich halt gut.
Tim Pritlove: Aber es beschreibt ja schon auch in etwa was getan wird. Wovon reden wir jetzt?
Tim Pritlove: Wir haben hier am Standort den großen Ring, den Archidron Collider,
Tim Pritlove: den Beschleunigerring, der halt die Teilchen ordentlich auf Fahrt bringt.
Tim Pritlove: Und entlang dieses Rings gibt es verschiedenste Instrumente,
Tim Pritlove: wie man sagt, wobei das Wort irgendwie nicht so richtig erfasst,
Tim Pritlove: um was für Kolosse es sich dabei handelt.
Tim Pritlove: Sehr sehr große, sehr komplexe technische Geräte, die dann eben diese beschleunigten
Tim Pritlove: Teilchen kollidieren lässt und sie dabei beobachtet.
Tim Pritlove: Also ein Detektor. ALICE ist jetzt einer dieser Detektoren, die alle mehr oder
Tim Pritlove: weniger, also die sozusagen alle parallel und unabhängig voneinander entwickelt wurden.
Tim Pritlove: Das heißt hinter jedem dieser Detektoren steckt eine eine Philosophie,
Tim Pritlove: eine Technik Wissenschaftsphilosophie, wie man auf dieses beschleunigte Teilchen schaut.
Kai Schweda: Also wir schauen nicht auf das beschleunigte Teilchen, sondern auf das kollidierende.
Kai Schweda: Die beiden Teilchen kriegen sehr viel Energie mit. Das ist Bewegungsenergie.
Kai Schweda: Und die kollidieren und dann wird in dieser Kollision ein Großteil dieser Energie,
Kai Schweda: die ich vorher reinstecke mit dem Collider, mit dem Beschleuniger,
Kai Schweda: die wird frei und erzeugt neue Teilchen. Da entstehen in der Kollision neue
Kai Schweda: Teilchen und diese neuen Teilchen, die untersuchen wir.
Tim Pritlove: Und was ist jetzt sozusagen die Philosophie gewesen beim Design von ALICE?
Kai Schweda: Anfang der 1990er Jahre hat das CERN ernsthaft überlegt und auch eine Designstudie
Kai Schweda: zum Large Hadron Collider entwickelt.
Kai Schweda: Das heißt, sie haben sich überlegt, welche Energie brauchen wir,
Kai Schweda: um in der Teilchenphysik Fortschritt zu machen. Es ging damals um das Higgs-Boson,
Kai Schweda: das auch vor zehn Jahren entdeckt wurde.
Kai Schweda: Und dann war klar, da gab es dann die Teilchenphysik-Gemeinschaft,
Kai Schweda: die Community, baut traditionell zwei Detektoren mit unterschiedlicher Technologie,
Kai Schweda: um eben diesen Nachweis des Higgs-Teilchens einwandfrei festlegen zu können.
Tim Pritlove: Weil wenn man das gleiche sieht oder dieselben Schlüsse zieht aus zwei vollständig
Tim Pritlove: unterschiedlichen Beobachtungen, dann kann man auch sicher sein, dass es stimmt.
Kai Schweda: Genau, so ist das traditionell in der Teilchenphysik, auch bei anderen Kollidern wurde,
Kai Schweda: als das Topquark entdeckt wurde, waren es auch zwei große Experimente und dann
Kai Schweda: war klar am Large Hadron Collider, dieser Ring, die ja 100 Meter unter der Erde
Kai Schweda: ist, der 27 Kilometer lang ist, hat vier Kollisionszonen.
Kai Schweda: Da war vorher ein anderer Kollider drin, der Elektronen und Positronen kollidiert
Kai Schweda: hat. Und da gibt es vier Wechselwirkungspunkte, wo die Strahlen kollidieren.
Kai Schweda: Es gab also noch zwei weitere.
Kai Schweda: Kollisionspunkte, wo man ein Experiment aufstellen kann und dann hat sich unser Feld,
Kai Schweda: das noch recht jung ist, die schweren Physik überlegt, wir könnten da bei diesen
Kai Schweda: höchsten zugänglichen Kollisionsenergien einen Detektor bauen und der ist nicht
Kai Schweda: für Proton-Proton-Kollisionen zuständig,
Kai Schweda: denn in Proton-Proton-Kollisionen wurde das Higgs-Boson entdeckt und wird weiter
Kai Schweda: erforscht, welche Eigenschaften es hat, Sondern man kann auch einen Monat pro
Kai Schweda: Jahr, also eine relativ kurze Zeit, schwere Bleikerne reinsetzen und die beschleunigen.
Kai Schweda: Und das ist das zentrale Thema von ALICE.
Tim Pritlove: Was ist jetzt so besonders an diesen schweren Teilen?
Kai Schweda: Die Frage ist, was passiert, wenn ich sehr viel Energie in ein Volumen pumpe,
Kai Schweda: das sehr viel größer ist als ein Proton.
Kai Schweda: Darüber ist noch wenig bekannt. was passiert mit dem Vakuum,
Kai Schweda: wenn ich da sehr viel, sehr sehr viel Energie reinstecke, über ein sehr großes
Kai Schweda: Volumen, groß, wie gesagt, groß im Vergleich zu der Größe eines Protons.
Kai Schweda: Und dann kommen da eben bei einer Proton-Proton-Kollision kommen ein paar hundert
Kai Schweda: Teilchen raus, die erzeugt werden.
Kai Schweda: Bei einer Blei-Blei-Kollision, da habe ich ja, Blei hat 82 Protonen und diese
Kai Schweda: Bleikerne sind völlig nackt. Wir nehmen denen alle Elektronen weg,
Kai Schweda: dass man sie möglichst stark beschleunigen kann. Das heißt, dieser Bleikern
Kai Schweda: ist 82 Plus geladen, der hat die Ladung von 82 Protonen.
Kai Schweda: Und dann kommen noch 126 Neutronen dazu. dann habe ich also 208.
Kai Schweda: Nukleon, also 208 Protonen plus Neutronen, habe ich ein sehr großes System,
Kai Schweda: das kollidiert und da entstehen 20.000 geladene Teilchen, nicht nur ein paar
Kai Schweda: hundert. Und das ist der große Unterschied zu ALICE.
Kai Schweda: Wir müssen bei einer einzigen Kollision eine sehr, sehr hohe Teilchenzahldichte
Kai Schweda: untersuchen können und dafür haben wir einen speziellen Detektor gebaut.
Kai Schweda: Also die Überlegung, was für einen Detektor wir gebaut haben,
Kai Schweda: kommt daraus, was passiert in dieser Kollision.
Kai Schweda: Und es war sehr schnell klar, wenn man am Large Hadron Collider ein Schwerion-Experiment,
Kai Schweda: in dem man Bleikerne kollidiert, bauen möchte, braucht man zunächst mal praktisch
Kai Schweda: die gesamte Physikergemeinschaft, die sich mit so einer Physik beschäftigt.
Kai Schweda: Weil man einfach einen Detektor, weil die Herausforderungen so groß sind auf
Kai Schweda: der Detektorseite, auf der Datenaufnahmeseite vom Rechenanspruch,
Kai Schweda: dass man da praktisch fast alle Physiker, die in dem Feld arbeiten, zusammenbringen muss.
Kai Schweda: Und dann war auch sehr schnell klar, da muss dieser Detektor nicht nur eine
Kai Schweda: Teilmessung machen oder ein ganz besonderes Signal und eine Sonde untersuchen
Kai Schweda: können, sondern sehr breit aufgestellt sein, dass er möglichst alle Signale erkennen kann.
Tim Pritlove: Warum nimmt man Blei? Also es gibt ja sicherlich auch noch schwerere,
Tim Pritlove: man kann ja auch Uran nehmen.
Kai Schweda: Ja genau, Uran wurde auch gemacht, nicht Amzern. Dazu braucht man eine bestimmte Quelle.
Kai Schweda: Quelle. Man fängt ja an ein Teilchen zu beschleunigen, in dem es immer zum Beispiel
Kai Schweda: im Proton nimmt man das Elektron weg, dann ist es positiv geladen,
Kai Schweda: dann lege ich ein elektrisches Feld an und im elektrischen Feld bewegt sich
Kai Schweda: eine positive Ladung entlang der Feldlinie und wird beschleunigt.
Kai Schweda: Und Blei ist möglichst schwer, Uran ist noch schwerer.
Kai Schweda: Aber für Uran muss man eine spezielle Quelle haben, das hat das CERN nicht,
Kai Schweda: das wurde aber in anderen Experimenten gemacht. Da braucht man eine ganz spezielle
Kai Schweda: Quelle. Das ist also ein technologisches Argument.
Tim Pritlove: Also Quelle im Sinne von, also nicht wo man das Uran her bekäme,
Tim Pritlove: sondern wie man das sozusagen erstmal in den Ring überhaupt reinschweißt.
Tim Pritlove: Wie man das vorbeschleunigt.
Kai Schweda: Die Frage ist immer, wie fange ich an? Ich habe zuerst ein neutrales Atom,
Kai Schweda: ein Bleiatom oder ein Bleikern.
Kai Schweda: Und da muss ich erst mal den positiv oder auch negativ laden.
Kai Schweda: Ich gebe ihm ein Elektron dazu und ich nehme eins weg aus der Atomhülle und
Kai Schweda: dann fange ich an, das zu beschleunigen.
Kai Schweda: Und das ist die Schwierigkeit bei Uran. Wir hatten auch sehr gerne Uran-Kollisionen.
Tim Pritlove: Okay, also bleiht sozusagen der Kompromiss aus. Da weiß man,
Tim Pritlove: wie man es hinkriegt und es ist schwer genug, dass es einen Unterschied macht.
Kai Schweda: Ganz genau, aber der LHC hat auch mittelschwere Kerne schon kollidiert, Xenonkerne.
Kai Schweda: Das hat wunderbar funktioniert. Da hatten wir mal sechs Stunden Strahl mit Xenonkerne.
Tim Pritlove: Und warum ist jetzt sozusagen, also das habe ich noch nicht so ganz verstanden,
Tim Pritlove: also klar Protonen aufeinander ballern, das bringt einen schon mal weit und
Tim Pritlove: hat auch irgendwie das Higgs-Feld nachweisen können.
Tim Pritlove: Was ist jetzt sozusagen die Erwartungshaltung gewesen, wenn man sagt,
Tim Pritlove: okay, es ist besser, wenn man
Tim Pritlove: jetzt viele Protonen hat, weil man dann mehr sieht oder was anderes sieht?
Kai Schweda: Weil man genau neue Eigenschaften sieht. Man sieht dann plötzlich,
Kai Schweda: das muss ich weiter ausholen, die Protonen sind ja keine fundamentalen Teilchen.
Kai Schweda: Elektron ist ein Elementarteilchen, das hat eine Ladung, das hat eine bestimmte
Kai Schweda: Masse, aber Protonen sind ja ausgedehnt,
Kai Schweda: die bestehen selbst noch mal aus Elementarteilchen, das sind die Quarks.
Kai Schweda: Und das ist eben das fundamentale Teil, die Quarks sind Bestand der Bis dahin.
Kai Schweda: Des Standardsmodells der Teilchenphysik und da gibt es sechs verschiedene Quarks.
Kai Schweda: Ich kann mal aufzählen, die Physiker sind nicht besonders innovativ,
Kai Schweda: wenn sie neue Namen geben.
Kai Schweda: Da gibt es einen Up-Quark und einen Down-Quark und daraus besteht unsere gesamte
Kai Schweda: Welt. Ich kann zwei Up-Quarks nehmen und einen Down-Quark, dann habe ich drei
Kai Schweda: Quarks und das ist ein Proton.
Kai Schweda: Ich kann andersherum zwei Down-Quarks nehmen, einen Up-Quark,
Kai Schweda: auch wieder drei Quarks, dann habe ich einen Neutron.
Kai Schweda: Da nehme ich noch das Elektron dazu und damit kann ich vom Wasserstoffatom bis
Kai Schweda: zum Blei oder Uranatom das komplette Periodensystem bauen.
Kai Schweda: Alles zusammenbauen und das ist unsere Welt, aus der wir auch bestehen,
Kai Schweda: wo aus dieser Tisch hier besteht.
Kai Schweda: Und die Natur hat es aber so eingerichtet, dass es noch eine zweite und dritte
Kai Schweda: Generation oder Familie, das sind Synonyme, man kann beides nehmen, sagen, gibt.
Kai Schweda: Und kein Mensch weiß, warum es jetzt eine zweite und eine dritte Generation gibt.
Kai Schweda: Es gibt auch genau drei, auch das wurde am LAC untersucht, auch bei anderen Beschleunigern.
Kai Schweda: Gibt es denn nicht noch eine vierte, fünfte, sechste Familie?
Kai Schweda: Gibt es nicht. Zumindest nicht bei den Energien, die uns momentan zur Verfügung stehen.
Kai Schweda: Und das ist eines der großen Rätsel im Standardmodell der Deutschmusik.
Kai Schweda: Warum gibt es drei Familien und genau drei und nicht mehr und nicht weniger?
Kai Schweda: So und dann kommen wir zur starken Wechselwirkung. Die Protonen,
Kai Schweda: diese Quarks, werden zusammengehalten von der starken Wechselwirkung.
Kai Schweda: Wir kennen ja aus der Schule, aus dem Alltag, die elektromagnetische Wechselwirkung,
Kai Schweda: elektrische Ladungen, magnetische Felder.
Kai Schweda: Wir kennen die Schwerkraft, die, die Gravitation, die hat gespielt keine Rolle
Kai Schweda: im Standardmodell der Teilchenphysik, die wird nicht berücksichtigt.
Kai Schweda: Aber es gibt noch zwei im Standardmodell, zwei weitere mikroskopische Kräfte,
Kai Schweda: das ist die schwache Kernkraft oder die schwache Kraft, Die ist zum Beispiel
Kai Schweda: dafür verantwortlich, dass ein Neutron zerfällt in ein Proton und ein Elektron und ein Neutrino.
Kai Schweda: Und dann gibt es noch eine Kraft, das ist eben die starke Kraft.
Kai Schweda: Und diese beiden Kernkräfte haben sehr kurze Reichweiten. Wir wissen ja von
Kai Schweda: der elektromagnetischen Wechselwirkung, die geht unendlich weit.
Kai Schweda: Oder wir sehen, wir spüren die Schwerkraft der Sonne, die 150 Millionen Kilometer
Kai Schweda: von uns entfernt ist, spüren wir, weil die Erde sich eben um die Sonne bewegt.
Kai Schweda: Und diese Kernkräfte haben sehr, sehr kurze Reichweiten, also sehr viel kleiner
Kai Schweda: als die Größe von einem Atom.
Kai Schweda: Deshalb sind die so schwierig zu sehen.
Tim Pritlove: Und deswegen sind sie ja auch im Fokus.
Tim Pritlove: Okay, und inwiefern, also was ist jetzt sozusagen die konkrete Perspektive von Alice?
Tim Pritlove: Also Alice versucht es quasi so zu betrachten,
Tim Pritlove: dass man eben dadurch, dass man diese schweren Bleiatome beziehungsweise nicht die Atome,
Tim Pritlove: sondern die Kerne, die Bleikerne kollidieren lässt und diese extreme Teilchendichte
Tim Pritlove: zu erzeugen und dann hat man sozusagen die Hoffnung und die Erwartung und mittlerweile
Tim Pritlove: wahrscheinlich auch schon die Erkenntnis,
Tim Pritlove: dass man daraus dann Schlüsse ziehen kann auf das Wesen dieser Elementarteilchen und dieser Kräfte.
Kai Schweda: Ja, dazu dient, dass ich soweit ausgeholt habe. Diese Quarks,
Kai Schweda: die in den Protonen eingeschlossen sind, die tragen jetzt eine Farbladung,
Kai Schweda: so wie ein Elektron eine elektrische Ladung trägt.
Kai Schweda: Und diese Ladung ist ja Ursache für eine Kraft. Die elektrische Ladung ist die
Kai Schweda: Ursache für die elektromagnetische Kraft, dass sich ein Proton und ein Elektron anziehen.
Kai Schweda: Und so tragen die Quarks, die tragen auch elektrische Ladung,
Kai Schweda: aber die tragen auch Farbladung und das ist Ursache für die starke Kraft.
Kai Schweda: Und jetzt ist es so, ein freies Elektron können wir beobachten oder wir haben
Kai Schweda: das sogar in dem Collider, vor dem Lärmschadung Collider hatten wir Elektronen
Kai Schweda: und sogar Positronen, freie Teilchen im Ring, die wir beschleunigen konnten.
Kai Schweda: Wir können auch Lichtteilchen, die von der Sonne kommen, können über sehr große
Kai Schweda: Distanzen sich fortbewegen bis zu uns, zur Erde, bis zu unserem Auge und werden dort dann detektiert.
Kai Schweda: Die Quarks, aufgrund der Tatsache, dass die jetzt noch diese starke Farbladung
Kai Schweda: tragen, dass die in der starken Wechselwirkung teilnehmen, diese Quarks ist
Kai Schweda: es uns noch nie gelungen, ein freies Quark zu beobachten.
Kai Schweda: Also die sind eingeschlossen in diesem Proton und egal was man tut,
Kai Schweda: Leuten 40, 50 Jahre lang.
Kai Schweda: Stark danach geschaut, irgendwo im Experiment mal freie Quarks zu beobachten, das ist nie geschehen.
Tim Pritlove: Woher wusste man denn, dass es denn Quarks gibt, wenn man sie nicht beobachten kann?
Kai Schweda: Ah ja, das ist eine interessante Frage, das war in den 1960er Jahren,
Kai Schweda: hat man die Struktur von einem Proton oder auch von Atomkern untersucht,
Kai Schweda: mithilfe von Elektronenstreuung.
Kai Schweda: Das Elektron ist ja ein Elementarteilchen, das hat selbst keine Struktur,
Kai Schweda: das hat also keine Breite, keine Höhe, keine Länge.
Kai Schweda: Es hat keine Dimension. Es ist punktförmig nach allem, was wir wissen.
Kai Schweda: Wir haben noch nie festgestellt, dass das Elektron noch eine Unterstruktur hat
Kai Schweda: und irgendwie ausgedehnt ist.
Kai Schweda: Zumindest mit der experimentellen Auflösung, die wir heute erreichen,
Kai Schweda: die mehr als tausend Mal besser ist als die Größe vom Proton.
Kai Schweda: Also ein Elektron ist punktförmig im Standardmodell.
Kai Schweda: Und mit diesen Elektronen, die hat man auf Protonen geschossen und aus dem gestreuten
Kai Schweda: Elektron dann über die Struktur des Protons einen Aufschluss erhalten.
Kai Schweda: Das kann man sich vorstellen, wie wenn die Leute ein Einzelspalt-Experiment kennen.
Kai Schweda: Wenn ich mit Licht auf eine Struktur leuchte, sehe ich, wenn die Lichtwelle
Kai Schweda: ungefähr die Größe hat von dem Spalt oder von dem Teilchen, das ich untersuche,
Kai Schweda: dann sehe ich Beugungseffekte.
Kai Schweda: Dann sehe ich eben nicht nur Licht und Schatten, sondern ich sehe Beugungseffekte im Licht.
Kai Schweda: Und daraus kann ich auf die Größe des Deichens schließen. Das hat man gemacht
Kai Schweda: mit Elektronen, also mit Materiewellen.
Kai Schweda: Die Materiewellen haben sehr viel kürzere Wellenlängen als normales Licht,
Kai Schweda: das uns zur Verfügung steht.
Kai Schweda: Und dann hat man nicht nur das Licht gebeugt, man hat auch, das nennen die Physiker,
Kai Schweda: inelastische Kollisionen gemacht.
Kai Schweda: Das hat man mit sehr hohen Energien auch wieder an einen Beschleuniger,
Kai Schweda: der damals die höchsten Energien zur Verfügung gestellt hat,
Kai Schweda: mit Elektronen, die viel Energie hatten, auf den Proton geschossen und aus diesem
Kai Schweda: Streumuster schließen können,
Kai Schweda: dass hier Elementarteilchen mit einer bestimmten Ladung im Proton sind,
Kai Schweda: genauso wie Radaford das vor über 100 Jahren mit am Goldkern gemacht hat mit Alpha-Teilchen.
Kai Schweda: Er hat also ein Streuexperiment gemacht bei hohen Energien und dann gesehen,
Kai Schweda: aha, die Proton haben noch eine innere Struktur.
Tim Pritlove: Weil sie nicht sich punktförmig verhalten, sondern in irgendeiner Form aus etwas
Tim Pritlove: anderem komponiert sind?
Kai Schweda: Man hat genau gesehen, das Proton ist ja ausgedehnt, das verhält sich nicht
Kai Schweda: punktförmig und dann hat man gemerkt, wenn man zu sehr, sehr hohen Energien
Kai Schweda: geht, sieht das so aus, als würde man wieder an einem punktförmigen Teilchen streuen.
Kai Schweda: Und das sind diese punktförmigen Quarks mit einer Elementarladung von plus zwei
Kai Schweda: Drittel der Elektronenladung oder minus zwei Drittel.
Tim Pritlove: Nur isoliert hat man sie halt nicht bekommen, die Quarks. Vielen Dank.
Tim Pritlove: Und das ist das, was Ellis dann versucht.
Kai Schweda: Genau. Das heißt, wenn man jetzt, dazu gibt es auch Rechnungen und schon seit
Kai Schweda: den Anfangen der 1970er Jahren Vorhersagen,
Kai Schweda: wenn man jetzt Kernmaterie genügend aufheizt und oder gleichzeitig komprimiert,
Kai Schweda: also zusammendrückt, dann wird dieser Einschluss zumindest für kurze Zeit aufgehoben.
Kai Schweda: Und dieser Einschluss, wenn man Kernmaterie auf zwei Billionen Grad Celsius
Kai Schweda: erhitzt, Dann wird dieser Einschluss wieder aufgehoben und die Quarks und Gluon
Kai Schweda: können sich quasi frei bewegen über ein relativ großes Volumen.
Kai Schweda: Beim Collider kann man sich das so vorstellen, wenn ich jetzt Apfelsin habe
Kai Schweda: und mache die in eine Aldi-Tüte und stoße diese zwei Aldi-Tüten mit möglichst
Kai Schweda: hoher Geschwindigkeit zusammen,
Kai Schweda: mit Lichtgeschwindigkeit und dann mache ich die Tüte auf, dann sind diese Apfelsin,
Kai Schweda: das die Protonen und Neutronen sind, die sind dann nicht mehr da,
Kai Schweda: sondern da ist nur noch der Saft da.
Kai Schweda: Und das ist unsere Ursuppe, die aus Quarks und Gluten besteht.
Tim Pritlove: Das Quark, Glut und Plasma?
Kai Schweda: Ganz genau.
Tim Pritlove: Also sozusagen ein neuer Zustand, den man so im Normalzustand nicht antrifft,
Tim Pritlove: sondern der nur stattfindet, wenn besonders hohe Energien darauf angewendet werden.
Kai Schweda: Ganz genau. Und der Zugang zur Kosmologie ist folgender, das Olimersium dehnt
Kai Schweda: sich ja aus seit seiner Entstehung, seit dem Urknall.
Kai Schweda: Das heißt, heute sind wir ungefähr 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall.
Kai Schweda: Das Universum hat sich sehr stark abgekühlt.
Kai Schweda: Wenn ich jetzt die Zeit zurückdrehe, würde sich das Universum wieder zusammenschrumpfen
Kai Schweda: und es wird immer dichter und heißer.
Kai Schweda: Und ungefähr wenige Millionsel Sekunden nach dem Urknall war das Universum eben
Kai Schweda: so heiß, dass da keine Atomkerne bestehen konnten. Selbst die Bausteine der
Kai Schweda: Atomkerne, die Protonen, Neutronen konnten nicht bestehen, weil die Temperaturen so hoch waren.
Kai Schweda: Das heißt, die gesamte Materie, die wir heute sehen, aus der wir auch bestehen,
Kai Schweda: aus der unsere Erde entsteht, aus der die Sonne besteht,
Kai Schweda: Die ganze sichtbare Materie, die wir heute sehen, die lag in so einem Zustand
Kai Schweda: vor, dass wir Quark-Gluten-Plasma nennen.
Kai Schweda: Die gesamte Materie lag, wenn Sie so wollen, als Suppe aus Quark und Gluten vor.
Kai Schweda: Und wir versuchen jetzt am Large Hadron Collider so ein kleines Tropfen dieser
Kai Schweda: Ursuppe wieder herzustellen.
Tim Pritlove: Also sozusagen so ein Blick in den Urknall, könnte man fast sagen.
Tim Pritlove: Ich meine, die ganze Urknalltheorie ist ja wirklich bestechend,
Tim Pritlove: weil sie ja in gewisser Hinsicht viel von dem erklärt, was wir heute sehen und
Tim Pritlove: dieses Gedankenexperiment, quasi das Universum in der Zeit rückwärts laufen
Tim Pritlove: zu lassen, hat ja schon zu so einigen Vorhersagen geführt.
Tim Pritlove: Und wenn man sich mal vorstellt,
Tim Pritlove: heute haben wir halt so ein sich ausdehnendes Universum und wir falten das jetzt
Tim Pritlove: sozusagen wieder zusammen,
Tim Pritlove: dann wird's halt erstmal kleiner und langsamer,
Tim Pritlove: jetzt wird's ja immer schneller, Es wird kleiner,
Tim Pritlove: langsamer, verdichtet sich irgendwann, man hatte dann,
Tim Pritlove: jetzt hab ich die Zahl vergessen, an bestimmten Zahl von Jahren nach dem eigentlichen
Tim Pritlove: Knall diesen Moment, wo alles soweit
Tim Pritlove: sich aufheizt, also normalerweise die Abkühlung jetzt heizt sich auf,
Tim Pritlove: dass gar kein Licht mehr frei fließen kann und das ganze Universum sozusagen undurchsichtig wird.
Tim Pritlove: Und wenn man es jetzt immer weiter komprimiert und die Temperatur immer weiter zunimmt,
Tim Pritlove: sind halt also all diese ganzen Strukturen, wie wir sie heute kennen,
Tim Pritlove: so gar nicht mehr da und alles besteht eigentlich nur noch aus so einer Suppe
Tim Pritlove: aus Elementarteilchen, in diesem Zustand der totalen Hitze nicht in der Lage
Tim Pritlove: sind, sich zu verbinden.
Tim Pritlove: Aber in dem Moment, wo man alles expandiert und sich abkühlt stellen sich sozusagen
Tim Pritlove: diese Verbindungen her und mit die erste Verbindung,
Tim Pritlove: die sich herstellt ist sozusagen, dass die Quarks durch diese Gluonen zusammengehalten
Tim Pritlove: werden und sich damit überhaupt erst Protonen bilden, die dann später zu Atomen werden.
Kai Schweda: Ganz genau. Dieser Zeitpunkt ist
Kai Schweda: auch ganz wichtig in der Geschichte des Universums, den du genannt hast.
Kai Schweda: Nach ungefähr 380.000 Jahren hat sich das Universum soweit abgekühlt durch die
Kai Schweda: Ausdehnung, durch die Expansion, dass die Protonen sich Elektronen eingefangen
Kai Schweda: haben. Dann gab es also elektrisch neutrale Atome.
Kai Schweda: Und erst ab dem Zeitpunkt wurde das Universum durchsichtig oder transparent
Kai Schweda: für Licht, für Photonen.
Kai Schweda: Vorher wurden die ständig von diesen Elektronen und Protonen absorbiert, wieder emittiert.
Kai Schweda: Und zu dem Zeitpunkt war das Universum also opak, undurchsichtig.
Kai Schweda: Und erst nach 380.000 Jahren, als sich die meisten Teilchen dann als elektrisch-neutrale
Kai Schweda: Atome zusammengefunden haben, wurde das Universum transparent.
Kai Schweda: Also das Licht, das wir vom Urknall sehen, entstand 380.000,
Kai Schweda: Jahre nach dem Urknall und wir können nicht weiter in die Vergangenheit zurückschauen,
Kai Schweda: weil das Universum opaq war und mit so einem Quark-Klon-Plasma kommen wir bis
Kai Schweda: wenigste Millionstel Sekunden an den Urknall ran.
Kai Schweda: Also viel, viel weiter zurück in die Entwicklung des Universums.
Tim Pritlove: Jetzt natürlich die Frage, wie baut man sowas? Wie kriegt man das hin?
Tim Pritlove: Hin, weil die Kollision alleine mag das ja, also ich weiß gar nicht,
Tim Pritlove: was man sozusagen bauen muss, um überhaupt die Kollision zu ermöglichen und
Tim Pritlove: dann vor allem wie kriegt man das Ganze beobachtet.
Tim Pritlove: Wie ist so ein Detektor aufgebaut, wie groß ist der?
Kai Schweda: Also groß, der ist sehr groß. Unser Detektor ist 16 Meter hoch,
Kai Schweda: 10 Meter breit, 10 Meter tief und der ist um die Wechselwirkungszone,
Kai Schweda: wie wir sie nennen, also der Bereich,
Kai Schweda: in dem beide Strahlen, Teilchenstrahlen, am Large Hadron Collider zusammenstoßen.
Kai Schweda: Das heißt, die Teilchenstrahlen sind erstmal unabhängig, die laufen im Strahlohr,
Kai Schweda: das evakuiert ist, da ist ein Ultra-Hochvakuum drin, 10 minus 11 Millibar.
Kai Schweda: Und ein Strahl, ein Teilchenstrahl, das sind also Bündel von Teilchen,
Kai Schweda: Bündel von Protonen oder Bündel von Atomkernen, von nackten Atomkernen,
Kai Schweda: die laufen im Irr-Uhrzeigersinn.
Kai Schweda: Und beim Collider habe ich einen zweiten Teilchenstrahl, der läuft eben gegen dem Uhrzeigersinn.
Kai Schweda: Und da, wo die Experimente stehen, da werden die Strahlen überkreuzt und zur Kollision gebracht.
Kai Schweda: Und um diese Kollisionszone bauen wir einen Detektor herum, um eben die neuen
Kai Schweda: Teilchen, die in der Kollision entstehen, nachweisen zu können.
Kai Schweda: Wir wollen wissen, was sind das für Teilchen, welchen Impuls haben die?
Kai Schweda: Und was sind das für Teilchen? Ist das ein Pion, ein Proton oder irgendein anderes
Kai Schweda: Teilchen aus dem Super-Thoma und so, die das ganze griechische Alphabet bevölkern.
Tim Pritlove: Okay, aber wie, was muss man jetzt bauen und warum muss das Ding 16 Meter groß sein?
Kai Schweda: Ja, also so ein Teilchen, wenn es aus der Kollisionszone kommt,
Kai Schweda: jetzt sagen wir die Bleikerne stoßen zusammen und dann, unser Detektor sitzt
Kai Schweda: ja praktisch senkricht zur Strahlrichtung. Das Strahlrauer ist ja gerade in der Kollisionszone.
Kai Schweda: Natürlich ist der Ladschadonkollein ein Ring, aber entlang der Kollisionszone
Kai Schweda: ist das gerade. Und um diese Kollisionszone herum bauen wir den Detektor.
Kai Schweda: Jetzt wird ein Teilchen in der Kollision, in diesem Ultrahochwakuum erzeugt.
Kai Schweda: Dann macht sich das auf den Weg zu unserem Detektor. Das Erste,
Kai Schweda: was es sieht, ist das Strahlrohr.
Kai Schweda: Das muss ja durch das Strahlrohr durch. Im Strahlrohr ist Hochvakuum.
Kai Schweda: Außerhalb vom Strahlrohr ist normaler Druck. Da können wir beide hingehen und
Kai Schweda: uns den Detektor angucken und den reparieren oder was Neues einbauen.
Kai Schweda: Das heißt, es muss erst durch das Strahlrohr durch. Und was wir,
Kai Schweda: speziell in ALICE, aber das machen auch die anderen Experimente,
Kai Schweda: tun ist, wir wollen möglichst niederenergetische, wir wollen möglichst alle Teilchen nachweisen.
Kai Schweda: Das heißt, wir wollen die messen, aber möglichst wenig stören.
Kai Schweda: Jede Materie, die das Teilchen auf dem Weg zum Detektor und Limit-Detector durchdringen
Kai Schweda: muss, stört das Teilchen. Das verliert Energie, das weicht ein bisschen von
Kai Schweda: seiner Bahn ab, die es ursprünglich hatte. Also wir versuchen möglichst minimalinversiv
Kai Schweda: die Teilchen nachzuweisen.
Kai Schweda: Jetzt geht das durch das Strahlor durch. Das heißt, allein das Strahlor ist
Kai Schweda: schon ein Hightech-Ausrüstungsgegenstand.
Kai Schweda: Das wird aus extrem stabilen und leichtem Material gebaut, aus Beryllium.
Kai Schweda: Dass eben die Teilchen möglichst wenig gestört werden. Allein das Strahlor kostet
Kai Schweda: schon eine Million Schweizer Franken.
Kai Schweda: Und das ist sehr, sehr brüchig. Das heißt, wenn wir den Detektor upgraden oder
Kai Schweda: erarbeiten, nehmen wir das Strahlor raus oder schützen es so,
Kai Schweda: dass wenn einer mit dem Helm dran stößt oder aus Versehen da drankommt,
Kai Schweda: dass das nicht kaputt geht.
Tim Pritlove: Weil das Beryllium ist so ein brüchiges Material.
Kai Schweda: Es ist sehr brüchig, giftig und
Kai Schweda: toxisch und hat aber natürlich sehr gute Eigenschaften für die Teilchen.
Kai Schweda: Ja, sehr brüchig. Ich denke, man könnte das durch einen leichten Stoß mit einem
Kai Schweda: harten Gegenstand sofort zerstören.
Tim Pritlove: Okay.
Kai Schweda: So, und dann hat es das Strahlrohr durchdrungen und dann kommt schon sehr knapp
Kai Schweda: nach dem Strahlrohr, wir versuchen auch möglichst nah an der Kollisionszone
Kai Schweda: schon die Teilchen nachzuweisen.
Kai Schweda: Dann haben wir einen langen Hebelarm später, wenn wir das Teilchen,
Kai Schweda: den Impuls zum Beispiel bestimmen.
Kai Schweda: Und da sitzen dann Siliziumdetektoren, das heißt das sind sehr dünne Lagen von
Kai Schweda: Silizium und wenn das Teilchen durchgeht, macht es wieder das gleiche wie es
Kai Schweda: ein Strahlung macht, es deponiert Energie.
Kai Schweda: Das ist einfach, das Teilchen ist elektrisch geladen und das wechselwirkt vor
Kai Schweda: allem mit den Elektronen aus der Atommülle oder aus dem Festkörper von Silizium.
Kai Schweda: Wechselwirkt das und deponiert da wie eine Energie durch die elektromagnetische Wechselwirkung.
Kai Schweda: Und diese Energie, die im Detektor deponiert wird, die weisen wir nach.
Kai Schweda: Das heißt, ich habe da Elektronen, die kann ich verstärken und am Ende habe
Kai Schweda: ich eine Pulshöhe, die ich messe und dann digitalisiere.
Tim Pritlove: Also das Teilchen bewirkt letzten Endes einen Strom, der in diesem System fließt?
Kai Schweda: Ja, einen Strom oder einen Spannungspuls, genau.
Kai Schweda: Strom über den Widerstand ist eine Spannung.
Tim Pritlove: Das klingt jetzt alles sehr klein.
Tim Pritlove: Warum ist das dann 16 Meter groß?
Kai Schweda: Ja, wir messen jetzt, wir wollen das Teilchen nicht nur nachweisen,
Kai Schweda: wir wollen auch sehen, welchen Impuls hat das, also welche Energie hat das Teilchen.
Kai Schweda: Oder fangen wir beim Impuls an.
Kai Schweda: Das heißt, die Messtechnik ist folgende, das ist an allen Experimenten gleich,
Kai Schweda: bei den Spurdetektoren.
Kai Schweda: Wir legen ein Magnetfeld an und ein geladenes Teilchen, wenn man sich an die
Kai Schweda: Schule erinnert, spürt im Magnetfeld, wird das auf eine Kreisbahn gezwungen.
Kai Schweda: Das ist die Lorentz-Kraft.
Kai Schweda: Und wenn ich also das Magnetfeld sehr gut kenne und die Spur,
Kai Schweda: ich messe die Spur, ich messe mit meinen Detektoren sukzessive bestimmte Punkte
Kai Schweda: entlang der Teilchenbahn, was das Teilchen nimmt,
Kai Schweda: dann kann ich den Radius, den Krümmungsradius von dieser Kreisbahn,
Kai Schweda: dass das Teilchen nimmt im Magnetfeld, sehr genau messen.
Kai Schweda: Ich mache also eine Ortsmessung und aus dem Krümmungsradius kenne ich dann den Impuls.
Tim Pritlove: Über was für Distanzen reden wir jetzt hier, die diese Teilchen da jetzt durchschlagen?
Kai Schweda: Also unser Detektor, der Siliziumdetektor ist vielleicht 50,
Kai Schweda: 60 Zentimeter im Radius. Das ist so eine Tonne, sehr leicht.
Kai Schweda: Ist 50 Zentimeter im Radius in verschiedenen Lagen. Die erste kommt bei etwa
Kai Schweda: 2 Zentimetern, das geht dann hoch bis 60, 70 Zentimeter und ist vielleicht zwei Meter lang.
Kai Schweda: Zwei bis vier Meter lang.
Tim Pritlove: Verschiedene Lagen von Silizium?
Kai Schweda: Das ist die gleiche Technologie.
Tim Pritlove: Und das Silizium liegt jetzt, wie muss man sich das vorstellen,
Tim Pritlove: so als Blätter oder als Rohre oder als solide Masse?
Kai Schweda: Ja ein Rohr ist schon ein guter Punkt, weil unsere Geometrie ist zylindrisch.
Kai Schweda: Das heißt der Detektor hat auch eine zylindrische Form.
Kai Schweda: Das sind Leitern, das sind einzelne Lagen von Silizium,
Kai Schweda: die quasi in so einer Faske, im Englischen sagen wir dazu Barrel,
Kai Schweda: das hat eine zylindrische Form und da tun wir einzelne Lagen von Silizium bei
Kai Schweda: bestimmten Radien anbringen, wo das Teilchen dann durchgeht.
Kai Schweda: Dieses Silizium ist sehr dünn. Das sind ungefähr 50 Millionen Meter.
Kai Schweda: Das sind sehr, sehr dünne Siliziumlagen, wie gesagt, um das Teilchen möglichst wenig zu stören.
Tim Pritlove: Ja, okay. Gut. Also muss ich das, ich will jetzt nicht Alufolie sagen, aber das...
Kai Schweda: Alufolie ist viel dicker. Alufolie ist 100 Mikrometer, 150 Mikrometer. Aber so ist das...
Tim Pritlove: Okay, aber wir reden jetzt nicht von Platten und dicken, fetten Gehäusen,
Tim Pritlove: sondern wirklich sehr dünne Schichten von dem Material.
Kai Schweda: Genau. Also unser Detektor ist zwar riesig, aber der aktive Detektor,
Kai Schweda: in dem die Teilchen nachgewiesen werden, der ist so leicht, der würde sogar in Milch schwimmen.
Tim Pritlove: Um ein populäres Bild zu bedienen.
Kai Schweda: Die Älteren kennen das noch, meine Kinder kennen das.
Tim Pritlove: Ich habe es auch schon mal gehört. Ja, okay. Also das ist so diese innerste
Tim Pritlove: Schicht, die sozusagen, das ist das erste, was man sozusagen beobachtet ist. Wo fliegt's lang?
Tim Pritlove: Und dadurch, dass das Teilchen dann mehrere dieser Schichten durchschlägt,
Tim Pritlove: kann man sehen, wo es lang fliegt. Also man hat sozusagen auf jeder dieser Folien
Tim Pritlove: quasi so eine zweidimensionale Ortungsmöglichkeit.
Tim Pritlove: Man sieht wo es genau aufschlägt.
Kai Schweda: Ganz genau. Es sind aber drei, weil ich ja weiß, wo der Detektor steht,
Kai Schweda: bei welchem Radius. Also ich messe wirklich in drei Dimensionen die Teilstrecke.
Tim Pritlove: Dadurch auf welcher Folie es aufschlägt. Das ist dann die dritte Dimension.
Tim Pritlove: Aber pro Folie erreicht man diese zwei. Wie kann man merken, wo es genau aufschlägt?
Kai Schweda: Die Siliziumlage hat eine Granularität und diese Folie ist segmentiert in was wir Pixel nennen.
Kai Schweda: Und diese Pixel haben eine Größe von momentan, wir haben gerade ein wesentliches
Kai Schweda: Upgrade vom Detektor gemacht, wir haben unseren alten Siliziumdetektor rausgeschmissen.
Kai Schweda: Der steht jetzt in der Ausstellung, können wir uns angucken,
Kai Schweda: wenn du nachher Zeit hast.
Kai Schweda: Und jetzt ist das alles aus Siliziumpixelsensoren gebaut und diese Pixel haben
Kai Schweda: eine Größe, also das ist die zweidimensionale Messung von 30 x 30 Mikrometer.
Kai Schweda: Also sie sind 30 Mikrometer lang in x- und y-Richtungen, in zwei Richtungen.
Kai Schweda: Wenn dieser Pixel jetzt anspricht, weiß ich, das Teilchen muss durch dieses
Kai Schweda: Segment gelaufen sein und ich kenne tatsächlich dann die Position sehr viel
Kai Schweda: besser als 20 Mikrometer, es sind vielleicht dann 8 Mikrometer oder so.
Kai Schweda: Also durch die Granularität dieser einzelnen Pixel, dass das segmentiert ist,
Kai Schweda: Diese Siliziumfolie ist segmentiert in sehr sehr kleine Pixel.
Kai Schweda: Dadurch kommt die Hoher Ortshauflösung.
Tim Pritlove: Aber was führt dazu, dass man das in einem Pixel detektieren kann?
Tim Pritlove: Also geht von jedem Pixel noch irgendwie nochmal ein...
Tim Pritlove: Draht weg? Natürlich. Okay, also das ist sozusagen… Ah gut, ja.
Tim Pritlove: Das ist ja dann sehr dünn der Draht.
Kai Schweda: Ja, ja, das ist die hohe Kunst. Und wir haben den, würde ich sagen,
Kai Schweda: den modernsten Siliziumdetektor, den es gibt in der Welt. Den haben wir gerade eingebaut.
Kai Schweda: Dieser Pixel ist wie gesagt 20 oder 30 mal 30 Mikrometer in der Ausdehnung und
Kai Schweda: dann hat er eine Dicke von vielleicht 50 Mikrometern.
Kai Schweda: Und jetzt schlägt das geladene Teilchen da durch, deponiert also Energie,
Kai Schweda: kreiert freie Elektronenlochpaare und diese werden gesammelt und diese Elektronen,
Kai Schweda: die frei werden, werden wieder eingesammelt und machen dann ein elektrisches
Kai Schweda: Signal, das sich verstärken kann mit Elektronik.
Kai Schweda: Und das passiert alles auf diesem Mini-Chip.
Kai Schweda: Also die ganze Digitalisierung passiert auf dem Chip, die Auslöse-Elektronik
Kai Schweda: ist Teil dieses Pixel-Chips.
Kai Schweda: Und dann geht natürlich eine Datenleitung raus ans Ende des Detektors,
Kai Schweda: ans seitliche Ende und dann werden die Daten weggeschickt per Glasfaserkabel.
Kai Schweda: Das heißt, das ist alles schon digitalisiert. Was aus unserem Detektor rauskommt
Kai Schweda: sind nur Nullen und Einsen.
Tim Pritlove: Ja, ich meine deswegen heißt es ja auch Pixel, letzten Endes ist es ein Bildelement,
Tim Pritlove: das heißt ja Pixel, in dem Fall halt ein dreidimensionales Bildelement und das
Tim Pritlove: dann eben auch über die Zeit im Verlauf.
Tim Pritlove: Also man kann sowohl den Ort als auch die Geschwindigkeit damit messen.
Kai Schweda: Also zunächst misst man erst mal nur den Ort und die Geschwindigkeit misst man
Kai Schweda: ja, eigentlich hat man dann vier Dimensionen, die Drei-Raum-Dimensionen und die Zeit, das stimmt.
Kai Schweda: Wenn ich den Kollisionszeitpunkt genau bestimme, kann ich die Zeit messen bis
Kai Schweda: mein Pixeldetektor anspricht, dann weiß ich wie lange das Teilchen von seiner
Kai Schweda: Entstehung vom Kollisionsort bis zum Detektor gebraucht hat.
Kai Schweda: Und dann kenne ich die Flugzeit.
Tim Pritlove: Und das ist auch eine relevante Information?
Kai Schweda: Natürlich, wir haben auch einen speziellen Flugzeitdetektor,
Kai Schweda: sehr viel weiter draußen bei 3,70 Meter Radius.
Kai Schweda: Und man möchte natürlich die Flugzeit möglichst lange machen,
Kai Schweda: dass man bei einer bestimmten Zeitauflösung relativ ist, dann die Auflösung
Kai Schweda: sehr viel besser. Je länger die Flugstrecke ist, desto länger ist die Flugzeit.
Kai Schweda: Und wie gesagt, den Impuls habe ich schon bestimmt über die Krümmung im Magnetfeld.
Kai Schweda: Und jetzt habe ich noch die Geschwindigkeit gemessen durch eine Flugzeitmessung.
Kai Schweda: Und Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit im Klassischen.
Kai Schweda: Das heißt, wenn ich Impuls und Geschwindigkeit bestimme, weiß ich,
Kai Schweda: welche Masse das Teilchen hat. Und bei Teilchen ist es so.
Kai Schweda: Die haben eine ganz bestimmte Masse, die sich auch nie ändert.
Kai Schweda: Das ist also ein Fingerabdruck für ein Teilchen, welche Masse das hat.
Kai Schweda: Du und ich, unser Gewicht ändert sich im Laufe unseres Lebens,
Kai Schweda: aber für ein Teilchen ist das immer gleich.
Kai Schweda: Und das heißt, wenn ich die Teilchenmasse kenne, weiß ich, welches Teilchen
Kai Schweda: das ist. Dann weiß ich, war es ein Proton, war es ein Pion oder sonst was.
Tim Pritlove: Und was kann man der Bahn ansehen dann?
Kai Schweda: Den Impuls. Damit misst man den Impuls.
Tim Pritlove: Aber letzten Endes Ziel ist eigentlich nur die Masse, also anhand der Bahn,
Tim Pritlove: weil man dann Bahn und Impuls auseinander halten kann, also Zeit und Impuls
Tim Pritlove: auseinander halten kann, kommt man auf die Masse und damit weiß man welches Teilchen es ist.
Tim Pritlove: Das ist also letzten Endes die einzige Information, die ich gewinne,
Tim Pritlove: welche Teilchen entstehen.
Tim Pritlove: Wo die dann lang fliegen ist eigentlich gar nicht interessant,
Tim Pritlove: weil das nur das Hilfsmittel ist, um rauszufinden, worum es sich handelt.
Kai Schweda: Nein, das ist der erste Schritt. Ich bestimme ja das Teilchen,
Kai Schweda: den Impuls und auch die Richtung. Ich bestimme die Pulsrichtung,
Kai Schweda: also nicht nur die Größe. Ein Puls ist ja ein Vektor, der hat drei Richtungen.
Kai Schweda: Also ich weiß auch, in welche Richtung das Teilchen geflogen ist von seiner Entstehung aus.
Kai Schweda: Also kinematisch habe ich dann das Teilchen vollständig bestimmt.
Kai Schweda: Ich weiß genau den Impuls und was es ist, was für ein Teilchen es ist.
Kai Schweda: Und dann kann ich bei diesen 20.000 Teilchen, die bei uns in der Kollision entstehen,
Kai Schweda: kann ich das mit anderen Teilchen korrelieren.
Kai Schweda: Ich kann die gesamte kinematische Information benutzen und dann eben Korrelation
Kai Schweda: zwischen einem und weiteren Teilchen bestimmen und dann zum Beispiel die Wechselwirkung
Kai Schweda: zwischen diesen beiden Teilchen studieren.
Kai Schweda: Das ist ganz wichtig, um Neutronensterne zu verstehen.
Kai Schweda: Ich kann dann die Wechselwirkung, die starke Wechselwirkung zwischen diesen
Kai Schweda: beiden Teilchen untersuchen.
Tim Pritlove: Okay, zu den wissenschaftlichen Auswertungen oder den Schlussfolgerungen kommen
Tim Pritlove: wir vielleicht noch dazu.
Tim Pritlove: Aber wir haben ja jetzt wie viele Zentimeter an Technologie gerade jetzt beschrieben von innen?
Kai Schweda: Von innen haben wir zunächst das Strahlrohr, das kommt so nach zwei Zentimetern
Kai Schweda: oder 1,8 Zentimetern Flugrichtung in radiale Richtung.
Kai Schweda: Dann kommt der Silizium-Detektor, da bin ich bei etwa 70 cm Entfernung vom Kollisionsvertex.
Kai Schweda: Und dann kommt, salopp gesagt, eine große Tonne, das ist unsere Zeitprojektionskammer,
Kai Schweda: und die ist mit Gas gefüllt. Also die hat eine sehr, sehr geringe Dichte, das ist der Grund.
Kai Schweda: Ein Gas hat ungefähr 100 bis 1000 Mal weniger Dichte und damit Material als
Kai Schweda: ein Festkörper, als Silizium.
Kai Schweda: Und diese Tonne geht von 80 cm Radius bis 2,50 m.
Kai Schweda: Also das ist der radiale Abmessung, das heißt diese Zeitprojektionskammer hat
Kai Schweda: einen Durchmesser von fünf Metern.
Tim Pritlove: Was ist da für ein Gas drin?
Kai Schweda: Da ist ein Edelgas drin, das haben alle Gasdetektoren. Das heißt in diesem Gas
Kai Schweda: passiert etwas sehr ähnliches wie im Siliziumdetektor.
Kai Schweda: Das geladene Teilchen fliegt durch dieses Gas und knockt da Elektronen aus dem Edelgas raus.
Kai Schweda: Das heißt, da entstehen freie Ladungsträger, die Elektronen,
Kai Schweda: und die werden mit einem elektrischen Feld abgesaugt.
Kai Schweda: Da legen wir 100.000 Volt an und dann driften diese Elektronen in Richtung der
Kai Schweda: Endkappe von unserer großen Tonne.
Kai Schweda: Und durch den Auftreffpunkt wissen wir schon wieder die X- und Y-Koordinate.
Tim Pritlove: Das heißt, nachdem man so die ursprüngliche Ableitung,
Tim Pritlove: die durch dieses am Zentrum des Detektors befindlichen Magnetfelds beobachten kann,
Tim Pritlove: dann fliegt es mehr oder weniger gerade weiter und innerhalb dieser Time Projection
Tim Pritlove: Chamber heißt es glaube ich, TPC, geht es eigentlich nur darum,
Tim Pritlove: eine gerade Flugrichtung, weil dann wird es ja nicht mehr weiter abgelenkt,
Tim Pritlove: dann fliegt es einfach gerade aus?
Kai Schweda: Ich habe nicht dazu gesagt. Unser gesamter Detektor steckt in einem riesigen
Kai Schweda: Magneten, das ist der größte warmleitende Magnet der Welt. Das heißt auch in
Kai Schweda: der Zeitprojektionskammer ist ein Magnetfeld.
Tim Pritlove: Okay.
Kai Schweda: Ja, also wir haben einen Solenoiden, das heißt eine Spule,
Kai Schweda: wenn ich einfach eine Spule wickele mit vielen, vielen Windungen und lege dann
Kai Schweda: Strom an, dann habe ich im Spulen, innerhalb der Spule ein sehr homogenes Magnetfeld,
Kai Schweda: das entlang der Spulenachse geht.
Kai Schweda: Und so ist auch unser Magnet gebaut. Das ist ein Solenoid. Also ich habe eine
Kai Schweda: riesige Kupferspule und die erzeugt ein Magnetfeld, das entlang der Strahlachse geht.
Kai Schweda: Und in diesem riesigen Magnet befinden sich alle unsere Detektoren.
Kai Schweda: Und das macht das große Gewicht aus von ALICE, das sind ungefähr 10.000 Tonnen.
Kai Schweda: Das ist einfach der Stahl aus dem Rückflussjoch des Magneten.
Kai Schweda: Der Magnet wiegt 10.000 Tonnen.
Tim Pritlove: Okay, aber ich als kollidierendes Teilchen bin ja sozusagen immer noch auf meinem
Tim Pritlove: Weg von der Mitte nach wo auch immer es mich leitet.
Tim Pritlove: Ich bin jetzt also sozusagen von diesen inneren Magnetfeldern nach der Kollision abgelenkt worden,
Tim Pritlove: habe diverse Schichten Siliziumfolie sehr dünn durchschlagen,
Tim Pritlove: dabei meine Spur hinterlassen sozusagen gesagt,
Tim Pritlove: wo ich jetzt lang geflogen bin und letzten Endes habe ich mich dadurch auch
Tim Pritlove: schon verraten, was ich eigentlich bin und jetzt fliege ich irgendwie weiter
Tim Pritlove: durch diese Time Projection Chamber, die diese Gas gefüllte Kugel?
Tim Pritlove: Zylinder. Und ein Zylinder drumherum,
Tim Pritlove: also auf jeden Fall habe ich jetzt noch mal ein paar Meter vor mir durch Gas
Tim Pritlove: und was genau kann man da messen?
Tim Pritlove: Also misst man nur wo es auftrifft letzten Endes am Ende dieser Kammer oder
Tim Pritlove: ist das schon auch eine Beobachtung innerhalb des Weges dort?
Kai Schweda: Ja, also wir sind immer noch im Magnetfeld. Ich bin immer noch auf einer gekrümmten
Kai Schweda: Spur und ich messe 159 Punkte entlang dieser Spur in diesem Gas.
Tim Pritlove: Aber wie kann man denn in dem Gas was messen? Da gibt es doch keine Drähte.
Kai Schweda: Ganz genau. Das ist der große Vorteil von der Zeitprojektionskammer.
Kai Schweda: Ich habe da auch keine toten Zonen. Ich bin aktiv im gesamten Gas.
Kai Schweda: Also noch mal das geladene Teilchen geht durchs Gas, ionisiert diese Gasatome,
Kai Schweda: also schlägt Elektronen raus, entlang seiner Teilchenspuren.
Kai Schweda: Jetzt habe ich entlang dieser Spur überall Elektronen.
Kai Schweda: Jetzt lege ich ein elektrisches Feld an und zwar auch wieder in Richtung der
Kai Schweda: Strahlaxe. Das heißt, diese Teilchenspur wird dann, diese Elektronen werden
Kai Schweda: dann Richtung Endkappe beschleunigt.
Kai Schweda: Das ist so, wie wenn ich in den Himmel schaue und sehe ein Flugzeug,
Kai Schweda: ein schweres Flugzeug mit Jetantrieb.
Kai Schweda: Dann kann ich gucken, im Himmel habe ich Kondensstreifen. Und auch wenn das
Kai Schweda: Flugzeug schon lange weg ist, kann ich immer noch sagen, welchen Weg das Flugzeug
Kai Schweda: genommen hat, indem ich den Kondensstreifen anschaue. Und bei uns im Detektorgas
Kai Schweda: ist das die Ionisationsspur.
Kai Schweda: Das ist einfach diese Wolke von Elektronen, die entlang der teilschen Spuren entstehen.
Kai Schweda: Und jetzt kann ich da natürlich nicht mit dem Auge reingucken.
Kai Schweda: Ich nehme ein elektrisches Feld und die Elektronen werden dann in Richtung Endkappe.
Kai Schweda: Die gesamten Elektronen entlang der teilschen Spur werden in Richtung meiner
Kai Schweda: Endkappe über eine Distanz von 2,50 Meter transportiert und kommen dann an der Endkappe an.
Kai Schweda: Und da habe ich dann wieder Auslesesegmente, die eben diese auftreffenden Elektronen
Kai Schweda: detektieren und das ist segmentiert in der Art und Weise,
Kai Schweda: dass ich eben an dieser Endkabel 100 bis zu 159 Segmente habe,
Kai Schweda: die diese ankommenden Elektronen detektieren.
Tim Pritlove: Erklärt für mich auch gerade so ein bisschen wieder mal, warum einfach diese
Tim Pritlove: enormen Beschleunigungen eigentlich erforderlich sind,
Tim Pritlove: damit halt auch noch diese rausgesprengten Teilchen am Schluss so viel Alarm
Tim Pritlove: machen können, dass sie irgendwie über so über Meter hinweg so viel Nebenwirkungen
Tim Pritlove: erzeugen, dass man die sogar noch messen kann.
Kai Schweda: Um genau zu sein, passiert mit den Elektronen gar nichts. Die werden nur transportiert
Kai Schweda: von ihrer Entstehung bis an die Endkappe. Sonst passiert mit den Elektronen nichts.
Tim Pritlove: Ja gut, aber sie müssen ja auch erst mal freigeschlagen werden.
Kai Schweda: Das macht das Teilchen.
Tim Pritlove: Das macht das Teilchen. Dazu muss das Teilchen aber auch ordentlich Performance am Start haben.
Kai Schweda: Ja, wenn man jetzt so schaut, aus der Schule kennt man das vielleicht,
Kai Schweda: um ein Elektron abzulösen von einem Atom, braucht man die Größenordnung,
Kai Schweda: Unsere Einheit ist Elektronenvolt, braucht man in Größenordnung paar Kilo Elektronenvolt.
Kai Schweda: Unsere Teilchen haben Milliarden Elektronenvolt. Also der Energieverlust,
Kai Schweda: den die Teilchen erleiden, indem sie Elektronen rausschrauben, ist minimal.
Kai Schweda: Den kann man fast vernachlässigen. Das heißt, wir kriegen also primäre Elektronen,
Kai Schweda: die kommen aus der Ionisation des Gases, durch das ursprüngliche Teilchen.
Kai Schweda: Die müssen wir dann noch verstärken und das passiert an den Endkappen.
Kai Schweda: Und da haben wir dann Zeldrähte, wo eben ein sehr starkes, hohes elektrisches
Kai Schweda: Feld erzeugen, dass man so eine Lawine von weiteren Elektronen erzeugen kann.
Kai Schweda: Also die Signalverstärkung passiert erst am Ende.
Tim Pritlove: Und warum ist jetzt diese Kammer so wertvoll und warum ist die noch da?
Tim Pritlove: Man hat ja im Prinzip den Weg und die Kurve sozusagen und auch schon die Bestimmung,
Tim Pritlove: worum es sich handelt und was der Impuls ist, hat man ja im Prinzip schon.
Tim Pritlove: Was ist sozusagen auf diesen zusätzlichen Metern noch der weitere Informationsgewinn?
Tim Pritlove: Ändert sich da noch viel dran?
Kai Schweda: Ja, erst mal je länger ich diese Spur verfolge, desto größer ist meine Auflösung,
Kai Schweda: also desto präziser kann ich den Impuls bestimmen.
Kai Schweda: Das ist einfach ein Hebelgesetz, wenn man so will. Je länger der Arm ist,
Kai Schweda: desto stärker meine Kraft und genauso ist das bei einer Teilchenspur.
Kai Schweda: Die Zeitprojektionskammer misst Spuren über eine Länge von 2,50 Meter.
Kai Schweda: Der Siliziumdetektor nur über eine Länge von 70 Zentimetern maximal.
Kai Schweda: Und das führt zu einer sehr, sehr viel besseren Impulsauflösung,
Kai Schweda: zumindest mit dem Detektor, den wir bisher die letzten zehn Jahre benutzt haben,
Kai Schweda: also dem Siliziumdetektor.
Kai Schweda: Und dann ist eine Zeitprojektionskammer. Wir haben ja sehr hohe Teilchenmultiplizitäten.
Kai Schweda: Wir haben eine sehr hohe Anzahl von geladenen Teilchen im Detektor in diesem
Kai Schweda: Plei-Plei-Kollision. Und da ist eine Zeitprojektionskammer unschlagbar.
Kai Schweda: Die kann das am allerbesten solche hohen Multiplizitäten auflösen.
Kai Schweda: Wir messen, wir meisen jedes einzelne Teilchen nach und wir sagen auch bei jedem
Kai Schweda: einzelnen Teilchen, was für ein Teilchen das ist. Und das kann am allerbesten
Kai Schweda: eine Zeitprojektionskammer.
Tim Pritlove: Und das tut man für wie viele Teilchen bei so einer Kollision, wie oft pro Sekunde?
Kai Schweda: Also wir haben bis zu 20.000 Teilchen pro Kollision.
Kai Schweda: Und jetzt nach unserem, wir hatten ja zwei Jahre lang Strahlpause am Large Hadron
Kai Schweda: Collider, seit einem Jahr, seit letztem Jahr messen wir wieder.
Kai Schweda: Wir haben quasi einen brandneuen Detektor. Die Zeitprojektionskammer ist noch da als Gasvolumen.
Kai Schweda: Aber die gesamte Auslese an den Endkappen, was praktisch 90 Prozent der Arbeit
Kai Schweda: ist, die haben wir komplett erneuert mit einer sehr viel schnelleren Auslese,
Kai Schweda: weil wir jetzt dieses Jahr kriegen wir die ersten Bleikollisionen bei hoher Rate.
Kai Schweda: Wir werden diese bis zu 20.000 Teilchen 50.000,
Kai Schweda: mal in der Sekunde kollidieren, zwei Bleikerne im Detektor.
Kai Schweda: Also es sind gigantische Kollisionsraten für uns und da entstehen auch gigantische Datenvolumen.
Tim Pritlove: Was kommt da für ein Datenstrom raus?
Kai Schweda: Das ist der Nachteil bei einer Zeitprojektionskammer, die spuckt sehr,
Kai Schweda: sehr viel Daten aus. Das Datenvolumen ist enorm groß, das macht über 90 Prozent
Kai Schweda: unseres Datenvolumens aus und die wird liefern 3.500,
Kai Schweda: Gigabyte pro Sekunde und das 24 Stunden am Tag. 3.500 Gigabyte?
Kai Schweda: Ja, das sind 3,5 Terabyte pro Sekunde.
Kai Schweda: 3.500 Gigabyte sind 3,5 Terabyte pro Sekunde und wenn wir das einen Monat laufen lassen,
Kai Schweda: haben wir eine Disk, wo wir die Daten speichern und ein Jahr behalten können
Kai Schweda: und die ist 100 Petabyte groß, also 100.000 Terabyte.
Tim Pritlove: Ok und eine Datenrate von 35 Terabit pro Sekunde. Das ist schon ganz ordentlich.
Tim Pritlove: Da braucht man eine amtliche Netzwerktechnik auf jeden Fall.
Kai Schweda: Terabyte. Wir haben Terabyte.
Tim Pritlove: Ja ich hab's auf Bit hochgerechnet, weil das ist ja für Übertragung meistens so die eine.
Tim Pritlove: Also auf jeden Fall eine Menge, also sozusagen viele Festplatten pro Sekunde.
Tim Pritlove: Also es ist so als ob da die ganze Zeit jemand mit Festplatten durch die Gegend fährt.
Kai Schweda: Also ich habe mal geschaut, wenn ich sehe was der Datenstrom in ganz Europa
Kai Schweda: ist von 500 Millionen Menschen, das ist weniger.
Tim Pritlove: Im Internet?
Kai Schweda: Ich glaube da sind alle Sachen dabei, Datastreaming, E-Mail, Internet.
Tim Pritlove: Aber was sozusagen über das Internet geht.
Kai Schweda: Ja und unser Detektor spuckt da mehr Daten aus. Das heißt wir können das auch
Kai Schweda: nicht irgendwo hinschicken und analysieren.
Kai Schweda: Deshalb haben wir bei Alice ein Computerzentrum, eine Compute Farm aufgebaut,
Kai Schweda: die diese Daten analysiert.
Kai Schweda: Wie gesagt die kommen vom Detektor schon digital.
Kai Schweda: Das heißt wir haben keinen Informationsverlust, keinen Qualitätsverlust im Signal
Kai Schweda: und diese 3500 Gigabyte pro Sekunde reduzieren wir schon in Echtzeit,
Kai Schweda: also während wir den Detektor betreiben auf 100 Gigabyte pro Sekunde und die
Kai Schweda: schreiben wir dann auf Disk.
Kai Schweda: Was wir auf Disk rausschreiben ist ein Faktor fast 40 weniger.
Tim Pritlove: Ja klar, also wenn man da keine Kompression machen würde, aber das lässt sich
Tim Pritlove: glaube ich ganz gut komprimieren dann auch so das Material.
Kai Schweda: Also wir haben zur Kompression, das ist weitgehend eine verlustfreie Datenkompression,
Kai Schweda: haben wir 50.000 CPUs, Prozessoren und 2000 grafische Prozessoreinheiten, also GPUs.
Kai Schweda: Also das was mein Sohn in der Playstation hat, das sind schon sehr gute Grafikkarten,
Kai Schweda: die eben sehr schnell rechnen müssen, weil sie eben diese sehr aufwendige Grafik rechnen können.
Kai Schweda: Das heißt, die können sehr gut parallel rechnen, also mehrere Rechenschnitte
Kai Schweda: in einem Durchgang machen und unsere sind also noch ein bisschen besser,
Kai Schweda: aber von den gleichen Anbietern, die auch Spiele, PCs herstellen.
Kai Schweda: Und davon haben wir 2000. Und die machen diese Datenreduktion speziell für die
Kai Schweda: Zeitprojektionskammer.
Tim Pritlove: Wenn ich jetzt richtig gerechnet habe, sind wir jetzt 5 Meter vom Kollisionsort
Tim Pritlove: weg, fehlen ja noch ein paar Meter.
Tim Pritlove: War es das schon mit der Detektion oder wird noch darüber hinaus auch noch detektiert?
Kai Schweda: Okay, also wir dürfen nicht Durchmesser und Radius verwechseln.
Kai Schweda: Das habe ich vorhin schon gemacht.
Tim Pritlove: Durchmesser habe ich gesagt.
Kai Schweda: Also das Teilchen hat jetzt 2,50 Meter hinter sich, das heißt es verlässt die
Kai Schweda: Zeitprojektionsgraden.
Kai Schweda: Dann kommt ein Detektor, der kam ein bisschen später,
Kai Schweda: also ein Subdetektor, ein Teil von ALICE, den haben wir ein bisschen später
Kai Schweda: eingebaut und der kann ganz besonders Elektronen identifizieren über einen bestimmten
Kai Schweda: physikalischen Effekt, wir nennen das Übergangsstrahlung.
Kai Schweda: Da nimmt man einfach ein Medium, das zwei verschiedene Dielektrizitätskonstanten
Kai Schweda: hat, Das ist das Epsilon-R, wenn man das in der Schule mit dem Plattenkandensator rechnet.
Kai Schweda: Auf jeden Fall tut dieser Detektor besonders Elektronen gut selektieren.
Kai Schweda: Die meisten Teilchen sind stark wechselwirkende, das sind die Pionen und wie sie alle heißen.
Kai Schweda: Und diese nicht stark wechselwirkenden Teilchen, wie das Elektron oder das Myon,
Kai Schweda: das ist ja ein schweres Elektron, das ist zweieinhalb mal schwerer als ein Elektron,
Kai Schweda: die werden nur sehr selten erzeugt und die will man rauspicken.
Kai Schweda: Die würde man eben selektieren und das kann dieser Detektor,
Kai Schweda: der dann bei 3,50 Meter Radius kommt.
Kai Schweda: Oder 2,90 Meter bis 3,50 Meter.
Tim Pritlove: Warum will man die rauspicken, weil die so selten sind?
Kai Schweda: Die sind selten und die meisten Teilchen, wir messen ja keine freien Quarks,
Kai Schweda: wir messen auch viele Teilchen,
Kai Schweda: die sind so kurzlebig, die werden in der Kollision erzeugt.
Kai Schweda: Sind die langlebigen Pionen, K und Protonen und dann noch Elektronomie und das
Kai Schweda: ist im Wesentlichen, was man sieht im Detektor.
Kai Schweda: Und alles andere zerfallen, zum Beispiel auch Teilchen, die diese schweren Quarks
Kai Schweda: tragen, die Charm-Quarks und Beauty-Quarks und die zerfallen mit einer bestimmten
Kai Schweda: Wahrscheinlichkeit in Elektronen oder Elektronen-Positron-Paare.
Kai Schweda: Und wenn man jetzt Elektronen und Positronen selektieren kann,
Kai Schweda: kann man diese Mutterteilchen wieder rekonstruieren.
Kai Schweda: Genau aus dem Grund, weil wir alles, was wir mit dem Detektor messen,
Kai Schweda: kinematisch vollständig bestimmen.
Kai Schweda: Und das sind besondere Proben für das Quark-Klone-Plasma. Daraus kann ich was
Kai Schweda: lernen, welche Eigenschaften dieses Quark-Klone-Plasma hat.
Tim Pritlove: Okay, das heißt wir sind jetzt über die 2,50 Meter. Jetzt bin ich wieder beim
Tim Pritlove: Radius. Wie weit hinaus?
Kai Schweda: Jetzt kommt der Übergangsstrahlungsdetektor. Der geht von 2,70 bis 3 Meter und
Kai Schweda: dann schließt sich dieser Flugzeitdetektor an.
Kai Schweda: Also der sagt dann nur noch, aha ich habe ein Teilchen gesehen und macht also
Kai Schweda: nur noch eine Zeitinformation, wenn ich bei 3,70 Meter in diesen Flugzeugdetektor
Kai Schweda: einschlage, bei Radius 3,70 Meter.
Kai Schweda: Ich glaube jetzt habe ich auch ein bisschen die Zahlen durcheinander gemacht.
Kai Schweda: Der Flugzeugdetektor ist bei 3,70 bis 3,90 Meter.
Kai Schweda: Der liefert ein sehr genaues Zeitsignal und das kann ich der Teilchenspur zuordnen
Kai Schweda: und weiß ich, aha dieses Teilchen, das sich auf den Weg gemacht hat,
Kai Schweda: ist nach dieser Zeit in meinem Flugzeugdetektor angekommen, bei einem Radius von 3,70 Meter.
Kai Schweda: Ich muss natürlich die Krümmung im Magnetfeld berücksichtigen,
Kai Schweda: aber ich kenne praktisch die Länge, die Flugzeit, den Weg, den das Teilchen
Kai Schweda: genommen hat, kenne ich dann sehr genau.
Kai Schweda: Also den Flugweg und die Flugzeit und dann kenne ich die Geschwindigkeit und
Kai Schweda: dann weiß ich, wer es war.
Tim Pritlove: Da weiß man, womit man es zu tun hat.
Kai Schweda: Ganz genau.
Tim Pritlove: Okay, da hab ich gleich noch ein paar Fragen zu den Erwartungen,
Tim Pritlove: aber ich würde gerne noch die Technik fertig bekommen,
Tim Pritlove: weil das ganze ist ja nach so einem Zwiebelschalen-System aufgebaut,
Tim Pritlove: also man hat einfach in der Mitte die inneren Spurdetektoren,
Tim Pritlove: diese Time-Projection-Chamber drumherum und diese weiteren Kaskaden,
Tim Pritlove: die jetzt eben sich nicht mehr um die Spur kümmern, sondern sozusagen nur noch das Timing erfassen.
Tim Pritlove: Und überhaupt sagen, wenn ich jetzt hier noch was detektiere,
Tim Pritlove: dann handelt es sich eben auch um wirklich interessante Teilchen.
Tim Pritlove: Gibt es noch weitere Detektoren oder war es das jetzt?
Kai Schweda: Ja, vielleicht hätten wir damit anfangen sollen. Zunächst macht man im Inneren
Kai Schweda: eine Spurrekonstruktion, genau wie du sagst. Und dann sind wir fertig.
Kai Schweda: Also wir haben Silizium, wir haben die gasgefüllte Kammer, wir haben den Übergangsstrahlungdetektor
Kai Schweda: und dann den Flugzeitdetektor.
Kai Schweda: Damit ist die Teilchenspurrekonstruktion beendet. Und danach schließt sich dann
Kai Schweda: ein elektromagnetisches Kalorimeter an.
Kai Schweda: Das heißt, wenn ich sehr, sehr hoch energetische Teilchen habe,
Kai Schweda: Unser Magnetfeld ist nicht besonders hoch, ein halbes Tesla.
Kai Schweda: Also sehr viel stärker als das Erdmagnetfeld, aber wenn du schaust,
Kai Schweda: wenn nachher die Leute kommen von Atlas, die haben viel stärkere Magnetfelder.
Kai Schweda: Das heißt, je höher mein Impuls ist vom Teilchen oder die Energie,
Kai Schweda: desto weniger ist die Spur gekrümmt und irgendwann wird die ganz gerade und
Kai Schweda: dann kann ich das gar nicht mehr unterscheiden. Ist das jetzt eine gerade Spur
Kai Schweda: oder ist da noch eine Krümmung drin?
Kai Schweda: Und dann hört irgendwann meine Spurrekonstruktion auf. Ich kann natürlich die
Kai Schweda: Spur immer noch rekonstruieren, aber ich weiß nichts mehr über den Impuls,
Kai Schweda: weil ich keine Krümmung mehr feststellen kann. Also keinen Unterschied von einer geraden Spur.
Kai Schweda: Und dann baut man einen Kalorimeter. Kalorimeter heißt, ich deponiere die gesamte
Kai Schweda: Teilchenenergie in diesem Detektorteil und weiß dann die Gesamtenergie.
Kai Schweda: Also ein Kalorimeter misst immer die Gesamtenergie von einem Teilchen.
Tim Pritlove: Und damit beende ich sozusagen auch den Flug.
Kai Schweda: Das war es. Da ist das Teilchen, das ist das Ende.
Tim Pritlove: Okay, es versackt im Kalorimeter und dann weise ich aber sozusagen die Restenergie
Tim Pritlove: oder eigentlich überhaupt die Energie, weil bisher nicht so richtig viel Energie
Tim Pritlove: eingebüßt wurde durch die ganzen Spurbeobachtungen.
Kai Schweda: Ganz genau.
Tim Pritlove: Und die misst man dann in was? In Kalorien?
Kai Schweda: In der Teilchenphysikschule ist alles in Energie.
Tim Pritlove: Alles.
Kai Schweda: Energie ist ein Elektronenvolt. Elektronenvolt kennen wir aus der Schule.
Kai Schweda: Wenn ich einen Plattenkondensator habe, der macht ein elektrisches Feld, also Plus und Minus.
Kai Schweda: Und da habe ich einen Volt und da läuft ein Elektron durch, hat danach das Elektron,
Kai Schweda: die kinetische Energie von einem Elektronenvolt.
Kai Schweda: Und wir messen alle Energien in Elektronenvolt oder eigentlich in Gigaelektronenvolt.
Kai Schweda: Das ist so die natürliche Einheit. Milliarden Elektronenvolt.
Tim Pritlove: Okay, und wie viel Elektronenvolt haben die Teilchen, die jetzt da in diese
Tim Pritlove: Kalorimeter einschlagen?
Kai Schweda: Ein paar wenige Gigaelektronenvolt bis 100 GV vielleicht.
Kai Schweda: Man kann das auch, das Higgs-Teilchen, das messen wir nicht,
Kai Schweda: aber das Higgs-Teilchen wiegt 125 Gigaelektronenvolt.
Kai Schweda: Das Proton wiegt etwa 1 Gigaelektronenvolt. Also das Higgs ist 125 mal schwerer als das Proton.
Kai Schweda: Wenn das in zwei Photonen zerfällt, haben diese Photonen jeweils 65 GeV, Gigaelektronenvolt.
Kai Schweda: Also ein paar Zig bis ein paar hundert Giga-Milliarden Elektronenvolt.
Tim Pritlove: Okay, das heißt diese ganzen Kalorimeter sind dann auch das Ende des Detektors.
Tim Pritlove: Das heißt die sind dann auch erst bei 16 Meter Durchmesser.
Kai Schweda: Ja, ganz genau.
Tim Pritlove: Okay, also nach 8 Metern sozusagen wird die Energie gemessen und dann ist die
Tim Pritlove: Detektion abgeschlossen.
Kai Schweda: Noch nicht. Da gibt es noch die einzigen Teilchen, die noch durchkommen,
Kai Schweda: sind die Myonen, die schweren Elektroden.
Kai Schweda: Die deponieren eben ihre Energie nicht in einem Kalorimeter.
Kai Schweda: Die gehen quasi durch alles durch. Man kann die Spur sehen durch den Siliziendetektor,
Kai Schweda: durch die Zeitprojektionskammer.
Kai Schweda: Die machen ein Signal im Flugzeitdetektor und die werden nicht im Kalorimeter
Kai Schweda: gestoppt. Das liegt einfach daran, dass die so hohe Masse haben.
Kai Schweda: Die sind nicht stark wechselwirkend, die werden also nicht in einem hadronischen Kalorimeter gestoppt.
Kai Schweda: Die sind zwar Leptonen, aber dadurch, dass die so viel Masse haben,
Kai Schweda: das Elektron macht dem elektromagnetischen Kalorimeter Bremsstrahlung.
Kai Schweda: Und die Bremsstrahlungsphotonen machen dann wieder Elektronen-Positron-Paare
Kai Schweda: und die Elektronen-Positron-Paare machen wieder Bremsstrahlung.
Kai Schweda: Und so geht das unendlich weiter.
Kai Schweda: Es bildet sich also ein Schauer, das ist ein elektromagnetischer Schauer,
Kai Schweda: aus Bremsstrahlungsphotonen und Elektronen-Positronen.
Kai Schweda: Das Myon macht das nicht, weil das so viel schwerer ist. Das heißt, das geht einfach durch.
Kai Schweda: Wir sehen sogar Myonen von der kosmischen Strahlung bei uns im ALICE,
Kai Schweda: obwohl wir von 30 Metern Fels geschützt sind vor der kosmischen Strahlung.
Kai Schweda: Also die Elektronen gehen durch alles durch und wir haben speziell jetzt nicht
Kai Schweda: in dieser Zylindergeometrie, also senkrig zur Strahlaxe, aber parallel zur Strahlaxe
Kai Schweda: oder unter Vorwärtswinkeln haben wir noch einen Myon-Spektrometer.
Kai Schweda: Da machen wir genau das gleiche. Da steckt ein sieben Meter langer Absorber
Kai Schweda: aus Eisen und Stahl und der filtert alles raus.
Kai Schweda: Nur die Myonen kommen hinten an und dann stellt man da ein paar Kammern auf,
Kai Schweda: die eben die Teilchenspuren messen. Und dann weiß ich, da können nur Myonen durchgekommen sein.
Tim Pritlove: Sind diese Myonen jetzt eher selten oder ist das so ein ganz normales Abfallprodukt
Tim Pritlove: bei dem, was da passiert?
Kai Schweda: Nein, nichts ist Abfall. Das ist alles Signal. Wie gesagt, es gibt besondere
Kai Schweda: Teilchen, die schwere Quarks tragen und die zerfallen gerne in Elektronenpaare,
Kai Schweda: Elektronenpositonpaare oder Paare von positiven und negativen Myonen.
Kai Schweda: Und die möchte ich rekonstruieren, weil das ganz spezielle Sonden sind.
Kai Schweda: Schwere Quarks sind ganz besondere Sonden für unser Quark-Klon-Plasma.
Tim Pritlove: So jetzt ist ja Sinn und Aufgabe des Detektors ist jetzt primär diese Blei-Ionen-Kollisionen zu beobachten.
Tim Pritlove: Das heißt mal salopp formuliert passiert ja da immer das gleiche.
Kai Schweda: Jede Kollision ist einzigartig.
Tim Pritlove: Okay, gut. Darauf wollte ich hinaus. Aber man tut eigentlich immer das gleiche
Tim Pritlove: und man kriegt immer wieder andere Ergebnisse.
Kai Schweda: Das Signal ist ein anderes. Und genau,
Kai Schweda: zum Beispiel wir brauchen ein paar zigtausend Blei-Blei-Kollisionen,
Kai Schweda: Ob das da mal ein Teilchen rauskommt, das aus zwei schweren Quarks besteht und
Kai Schweda: dann noch zerfällt in ein Elektron-Bosyton-Paar zum Beispiel.
Kai Schweda: Und die gilt es zu selektieren. Das heißt wir bauen einen Trigger.
Kai Schweda: Wir triggern auf ein ganz spezielles Ereignis, das nur sehr selten passiert.
Tim Pritlove: Und das ist ja sozusagen das Ding. Also es geht ja hier um Wahrscheinlichkeiten.
Tim Pritlove: Also jetzt könnte man sagen okay no two collisions are the same.
Tim Pritlove: Also obwohl wir eigentlich im Prinzip immer dasselbe tun, mit derselben Apparatur
Tim Pritlove: messen, messen wir eigentlich jedes mal ein komplett anderes Gesamtergebnis.
Tim Pritlove: Also vielleicht nicht komplett anders, sondern es ist vielleicht in seiner Struktur
Tim Pritlove: ähnlich, aber so im Detail.
Tim Pritlove: Mal wird von dem einen Teilchen mehr erzeugt, mal weniger, mal vielleicht überhaupt
Tim Pritlove: nicht. Auf einmal sind es ganz viele.
Tim Pritlove: Und der eigentliche Wert entsteht dadurch, dass man eben sehr oft,
Tim Pritlove: sehr lange das macht, alle Daten aufnimmt und sich es danach anschaut,
Tim Pritlove: wie denn jetzt die tatsächliche Verteilung ist.
Tim Pritlove: Weil wir im Prinzip ja generell immer nur alles über Wahrscheinlichkeiten überhaupt
Tim Pritlove: erfassen können auf dieser Quantenebene, in der halt alles nicht klar bestimmt ist.
Tim Pritlove: Da heißt es ja nicht, wenn das kommt, passiert das, sondern das passiert mit
Tim Pritlove: einer bestimmten Wahrscheinlichkeit.
Kai Schweda: Also es ist sehr klar bestimmt. Ich muss da widersprechen. Die Wahrscheinlichkeiten
Kai Schweda: sind sehr klar bestimmt. Also ich kann genau bestimmen, wie groß die Wahrscheinlichkeit
Kai Schweda: ist, nur das einzelne Event ist unbestimmt.
Tim Pritlove: Das wollte ich damit zum Ausdruck bringen, ja.
Kai Schweda: Ja, das unterliegt einer Wahrscheinlichkeit. Aber auch in der Quantenmechanik
Kai Schweda: kann ich diese Wahrscheinlichkeiten sehr präzise ausrechnen.
Tim Pritlove: Also genau, man kann dann die Wahrscheinlichkeiten ausrechnen,
Tim Pritlove: aber man weiß halt nicht vor einer Kollision, was jetzt gerade dran ist.
Kai Schweda: Ganz genau.
Tim Pritlove: Also das ist sozusagen das Unbestimmte, nur bestimmt wird es eben über die Beobachtung,
Tim Pritlove: über die Zeit dadurch, dass ich sagen kann, okay, wir haben uns das jetzt irgendwie
Tim Pritlove: angeschaut und diese Konstellation entsteht mit der Wahrscheinlichkeit und diese
Tim Pritlove: Konstellation entsteht mit der Wahrscheinlichkeit und damit erforsche ich quasi
Tim Pritlove: das Wesen dessen, was ich beobachte.
Tim Pritlove: Okay, ich habe das halbwegs verstanden, glaube ich, hoffe ich.
Tim Pritlove: Bis zum nächsten Mal.
Tim Pritlove: Upgrades hat denn jetzt ALICE, das haben wir ja gerade gehört,
Tim Pritlove: da wird immer wieder was ausgetauscht.
Tim Pritlove: Wie sehr ähnelt denn ALICE nach seiner ursprünglichen Version?
Tim Pritlove: Wie oft werden denn dort technische Änderungen vorgenommen?
Kai Schweda: Ja, das ist eine gute Frage. Also schon vor 30 Jahren war schnell klar,
Kai Schweda: habe ich erzählt, dass man ein relativ schwaches, aber großvolumiges Magnetfeld
Kai Schweda: braucht. Das haben wir. Das haben wir sogar geerbt vom Vorgängerexperiment.
Kai Schweda: Da haben wir Kosten gespart. Und dass das zentrale, das Herzstück eine Zeitproduktionskammer
Kai Schweda: ist, das hat sich auch nicht geändert. Das ist im ersten Design drin.
Kai Schweda: Und dass man bei inneren Radien einen Silizium-Detektor hat,
Kai Schweda: auch das hat sich nicht geändert.
Kai Schweda: Und dann, das war sehr schnell klar, dass man den Doktor so bauen muss,
Kai Schweda: um das die Ziele zu erreichen, die man hat.
Kai Schweda: Dann das erste Upgrade war, der Myon-Arm kam später hinzu, das war aber,
Kai Schweda: das muss ich erzählen, 1993 hat dann sich eine sogenannte Proto-Kollaboration geformt.
Kai Schweda: Das waren also eine Reihe von Wissenschaftlern, die haben gesagt,
Kai Schweda: wir studieren das, wir untersuchen, welchen Detektor wir brauchen und kamen
Kai Schweda: dann sehr schnell mit diesem Konzept von einem solenoiden Magneten in der Zeitprojektionskammer
Kai Schweda: und einem inneren Siliziumdetektor und hat dann im Jahr 1993 einen Lettow-Intent vorgestellt,
Kai Schweda: also die Absicht, so einen Detektor zu bauen, um diese Physik des Quark-Clone-Plasmas
Kai Schweda: zu adressieren am Large Hadron Collider, in dem man das ausnutzt,
Kai Schweda: dass da auch Bleikerne beschleunigt werden können.
Kai Schweda: Und das wird begutachtet. Es gibt ein Komitee, das ist das LHC-Komitee,
Kai Schweda: LHCC, und das besteht aus Experten und die schauen sich an,
Kai Schweda: diese Vorschläge, die Gruppen machen, welche Direktoren gebaut werden sollen
Kai Schweda: und dieses Das Komitee berät direkt den Generaldirektor oder die Generaldirektoren am CERN.
Kai Schweda: Und die haben eben diesen Letter of Intent, den wir am 1.
Kai Schweda: März 1993 eingereicht haben, gesagt, okay, das finden wir gut,
Kai Schweda: macht weiter. Also wir haben eine positive Bewertung bekommen.
Kai Schweda: Und dann kam 1995 der Muonarm dazu.
Kai Schweda: Das waren eben Leute, die schon früher am CERN, am kleineren Beschleuniger,
Kai Schweda: am SPS, am Superproton-Synchrotron, Muon nachgewiesen haben,
Kai Schweda: eben genau um den Zerfall von Teilchen mit schweren Quarks.
Kai Schweda: Und die haben gesagt, wir machen da auch mit, wir bringen einen neuen Detektor
Kai Schweda: mit, wir wollen einen neuen Detektor bauen, die sind Myonarm.
Kai Schweda: Das war also das erste Upgrade sozusagen 1995, das war aber weit vor der ersten Konstruktion.
Kai Schweda: Dann kam, ich glaube, der erste, das ist fair zu sagen, der erste Upgrade-Detektor
Kai Schweda: war dieser Übergangsstrahlungsdetektor,
Kai Schweda: das ist ein Beitrag der deutschen Gemeinschaft und anderen Ländern,
Kai Schweda: Russland und Rumänien, die dann gesagt haben, okay, zwischen der Zeitprojektionskammer
Kai Schweda: und dem Flugzeitdetektor, da ist noch eine Lücke, radial, Und da bauen wir diesen
Kai Schweda: Übergangsstrahlungsdetektor ein, dass wir diese Elektronen und Positronen selektieren können.
Kai Schweda: Den haben wir 2008 eingebaut, also die ganze Konstruktion.
Kai Schweda: Das war noch mit der Konstruktion des ersten Detektors.
Kai Schweda: Und was wir jetzt gemacht haben, das war im Jahr 2019, 2021,
Kai Schweda: war eine lange Betriebspause des Large Hadron Colliders. Da wurde auch der Beschleuniger
Kai Schweda: konsolidiert, das heißt verbessert.
Kai Schweda: Dinge, die nicht so gut funktioniert haben, wurden verbessert.
Kai Schweda: Es wurden neue Instrumente eingebaut.
Kai Schweda: Das kann wahrscheinlich der Manfred Kramer dir besser erzählen.
Kai Schweda: Diese zweieinhalb Jahre haben wir genutzt, um unseren Detektor massiv zu erneuern.
Kai Schweda: Wir haben den gesamten Silicon Detektor komplett rausgenommen und haben jetzt
Kai Schweda: diesen hochgranularen Pixel-7-lagigen Pixeldetektor eingebaut.
Kai Schweda: Wir haben die Zeitprojektionskammer, die gesamte Auslöseelektronik erneuert,
Kai Schweda: was 90 Mannjahre an Arbeitsleistung ist.
Kai Schweda: Also wir haben praktisch auch diese Zeitprojektionskammer praktisch neu gebaut.
Kai Schweda: Da ist nur diese mechanische Struktur, die auch das elektrische Feld,
Kai Schweda: diese 100.000 Volt, zur Verfügung stellt, die ist geblieben und die gesamte Elektronik ist neu.
Kai Schweda: Und das ist eben geschuldet, dass es eine neue Technologie gibt für den Silizium-Detektor.
Kai Schweda: Das haben wir entwickelt in ALICE. Das ist der L-Pite Pixel-Chip.
Kai Schweda: Wir mussten die Elektronik verbessern, damit wir diese 50.000 Kollisionen pro
Kai Schweda: Sekunde mit der Zeitprojektionskammer instand halten können.
Kai Schweda: Es war nicht klar, ob das vor 10, 12 Jahren funktioniert. Das war wirklich eine
Kai Schweda: jahrelange Entwicklung von neuer Technologie. Da haben wir ein optimales Setup
Kai Schweda: gefunden, wie wir diese Auslöse bauen können. Und das funktioniert.
Tim Pritlove: Wo wird denn diese Technik entwickelt?
Kai Schweda: In den Labors am CERN, also der Silizium-Detektor wurde ganz entscheidend hier
Kai Schweda: am CERN vorangetrieben.
Kai Schweda: Da gibt es eine Gruppe am CERN und unser vorheriger Spokesperson hat das entscheidend vorangetrieben.
Kai Schweda: Also wenn man Silizium-Technologie macht, das ist mit einem enormen Aufwand
Kai Schweda: verbunden. Da braucht man Reihenräume, da braucht man Maschinen.
Kai Schweda: Also das ist vom personellen und finanziellen Aufwand enorm und das CERN kann
Kai Schweda: das sehr gut machen. Das hat die richtige Größe.
Kai Schweda: In Deutschland braucht man dann schon die Nationallabors, zum Beispiel die Gesellschaft
Kai Schweda: für Schwerhörnforschung in Darmstadt, an der ich angestellt bin. Die können das machen.
Kai Schweda: Die Zeitprojektionskammer, das wurde federführend in Deutschland entwickelt,
Kai Schweda: auch von der GSI, von den Universitäten Frankfurt, Heidelberg.
Kai Schweda: Da braucht man Ingenieure, die nicht nur die Elektronik entwickeln,
Kai Schweda: sondern auch die Mechanik und so weiter und so fort. Und auch in Zusammenarbeit mit dem CERN.
Tim Pritlove: Ich glaube das ist auch etwas, was bisher bei den Gesprächen noch gar nicht
Tim Pritlove: so klar rausgekommen ist.
Tim Pritlove: Man sieht ja hier das CERN so im Wesentlichen als Betriebsort.
Tim Pritlove: Aber genau genommen wird ja alles erdacht. Also erstmal dieses,
Tim Pritlove: was braucht man eigentlich, wie könnte das funktionieren, welche Technologien
Tim Pritlove: benötigen wir denn dafür und dann müssen diese Technologien halt auch erdacht
Tim Pritlove: und quasi erstmal erfunden werden.
Tim Pritlove: Und dann ist die Frage, wie viel findet hier statt, wie viel findet woanders statt?
Tim Pritlove: Also ist es der Normalfall, dass das alles woanders entwickelt wird und hier
Tim Pritlove: wird nur überlegt, was braucht man? Oder findet hier auch konkret Technologiedevelopment statt?
Kai Schweda: Ja wie gesagt, diese Entwicklung von Siliziumdetektoren, das ist ja weltweit führend.
Kai Schweda: Viele, viele Gruppen benutzen jetzt diese Technologie, die wir in ALICE entwickelt
Kai Schweda: haben, in anderen Experimenten oder wollen die verwenden, auch für neue Maschinen in den USA.
Kai Schweda: Wir haben gerade jetzt, gerade in dem Moment, Gäste da aus den USA,
Kai Schweda: die eben genau unsere Silizium-Technologie verwenden wollen.
Kai Schweda: Also das wurde federführend am CERN gemacht, die Zeitproduktionskammer.
Kai Schweda: Da gibt es eine neue Technik, auch die wurde am CERN erfunden.
Kai Schweda: Das sind Gas-Elektron-Vervielfacherfolien, die heißen Gem-Gas-Elektron-Multipliers.
Kai Schweda: Und diese Technologie, da nimmt man eine sehr dünne Folie, bohrt Löcher rein
Kai Schweda: und isoliert die oben und unten und spitzt diese Löcher an. Und in diesen Löchern
Kai Schweda: entstehen sehr hohe Feldstärken.
Kai Schweda: Das ist das Geniale an so einer Gemfolie. Die wurde am CERN erfunden und die
Kai Schweda: haben uns diese riesigen Folien hergestellt.
Kai Schweda: Die haben Quadratmeter Größe und die haben wir dann benutzt,
Kai Schweda: um unsere Außerelektronik in Deutschland zu bauen. Also es wurde mit Gruppen
Kai Schweda: aus München, Darmstadt und Frankfurt gemacht.
Kai Schweda: Also nicht alles wird am CERN gemacht, aber vieles wird vorangeregtigt am CERN.
Tim Pritlove: Okay. Jetzt stellt sich natürlich die Frage, was kommt bei raus?
Tim Pritlove: Also was konnte denn mit Hilfe dieses Detektors und speziell eben dieser Bleikollisionen
Tim Pritlove: und sozusagen der Betrachtung dieses Quark-Gluon-Plasmas herausgefunden werden über dieses Plasma?
Tim Pritlove: Das ist ja so ein bisschen der Blick in die Zeit des Urknalls,
Tim Pritlove: nicht unbedingt davor aber zumindest in dem Moment.
Tim Pritlove: Welchen Erkenntnisgewinn konnte man bisher daraus ableiten, was hat sich daraus ergeben?
Kai Schweda: Also die erste Frage, was man sich stellt, wie hoch ist die Temperatur von dem
Kai Schweda: Ding, von dem Medium, das wir erzeugen?
Kai Schweda: Und die Temperatur kann man messen, indem man sich die Lichtteilchen anschaut, die Sonne.
Kai Schweda: Hat eine Temperatur in der Oberfläche von 6.000 Kelvin, 5.700 Grad Celsius.
Kai Schweda: Und wenn ich einfach das Spektrum des Lichts anschaue, das hier auf der Erde
Kai Schweda: ankommt, kann ich sofort auf die Temperatur der Oberfläche der Sonne schließen.
Kai Schweda: Salopp kann man sagen, man schaut sich das Spektrum, man schaut sich an,
Kai Schweda: wie viel kommt von der Farbe Grün an, wie viel kommt von der Farbe Rot an,
Kai Schweda: wie viel kommt von der Farbe Blau an.
Kai Schweda: Und dann habe ich, was die Physikern Plank-Spektrum nennen.
Kai Schweda: Das hat die meiste Farbe, die die Sonne ausstrahlt, ist tatsächlich grün und
Kai Schweda: dann kann ich sofort, das Planck Spektrum hat nur ein Parameter,
Kai Schweda: das ist die Temperatur, kann ich sofort die Temperatur bestimmen und so machen
Kai Schweda: wir das auch. Jetzt habe ich gesagt, die Sonne ist 6000 Kelvin heiß.
Kai Schweda: Unser Medium ist 2 Billionen Kelvin oder Grad Celsius heiß.
Kai Schweda: Das heißt, diese Wellenlänge verschiebt sich von dem optischen Spektrum,
Kai Schweda: das unsere Sonne aussendet, in die harte Röntgenstrahlung.
Kai Schweda: Also diese Photonen, die Lichtteilchen, die haben Milliarden von Elektronenvolt.
Kai Schweda: Unser optisches Licht hat einen Elektronenvolt etwa.
Kai Schweda: Und wenn man dieses Photon nachweist, also dieses Licht, das von der elektromagnetischen
Kai Schweda: Strahlung des Quarkplasmas kommt, dann kann man die Temperatur bestimmen.
Kai Schweda: Wir haben eine erste Messung, die ist noch nicht besonders genau.
Kai Schweda: Wie gesagt, diese Photonen und Elektronen, das sind ganz seltene Teilchen,
Kai Schweda: die muss ich da rauspicken auspicken, aus meinen zigtausend geladenen Teilchen
Kai Schweda: oder anderen Teilchen, die da entstehen.
Kai Schweda: Und dann gibt es noch andere Untergrundquellen, die auch Elektronen,
Kai Schweda: Positronen oder Photonen erzeugen. Also ich will sagen, das ist eine sehr schwierige
Kai Schweda: Messung, die sehr aufwendig ist, die sehr lange braucht, weil man sehr lange
Kai Schweda: Daten nehmen muss, um das Signal zu extrahieren.
Kai Schweda: Und da sehen wir, dass wir deutlich drüber sind über dieser Temperatur,
Kai Schweda: die es braucht, um so einen Quarkblumenplasma zu erzeugen.
Tim Pritlove: In dem beobachteten Experiment.
Kai Schweda: Bei Alice.
Tim Pritlove: Also man weiß deswegen, dass da eins ist. Ein Quark, Chlor und Plasma.
Tim Pritlove: Das ist das, was einem die Gewissheit gibt?
Kai Schweda: Ja, also Gewissheit.
Tim Pritlove: Das war wieder so ein schlimmes Wort benutzt.
Kai Schweda: Nein, das ist eine gute Frage. Was wir nicht haben ist eine Smoking Gun.
Kai Schweda: Eine Smoking Gun ist, wenn ich einen abschieße und dann raucht mein Colt noch,
Kai Schweda: dann weiß jeder, Der hat es getan.
Kai Schweda: Das gibt es halt bei uns nicht. Und das liegt daran, wir versuchen nicht ein
Kai Schweda: einzelnes Teilchen nachzuweisen, das zu rekonstruieren.
Kai Schweda: Wir haben ein System, das aus sehr, sehr vielen Teilchen besteht,
Kai Schweda: der sich sehr stark ausdehnt, dass der starken Wechselwirk unterliegt.
Kai Schweda: Und da habe ich kollektive Phänomene und es gibt nicht ein einziges Signal,
Kai Schweda: wo dann sofort alles klar ist, sondern man muss das beschreiben,
Kai Schweda: dass das konsistent ist. eine Temperatur, die weit drüber ist.
Kai Schweda: Auch bei den Hadronen können wir die Temperatur nachbestimmen.
Kai Schweda: Wenn ich jetzt das weiterdenke, wenn ich Hadronen messe, also Pion,
Kai Schweda: Proton, Kaon und so weiter, die sollte es ja nicht geben, wenn ich diese kritische
Kai Schweda: Temperatur überschreite.
Kai Schweda: Die sollten ja alle geschmolzen sein, weil ich da nur noch Quarks und Glon habe.
Kai Schweda: Und genau das beobachten wir. Aber irgendwann hat sich das System so weit ausgedehnt,
Kai Schweda: abgekühlt, dass wieder alles in normale Teilchen zerfällt.
Kai Schweda: Und wir beobachten auch bei den stark wechselwirkenden Teilchen,
Kai Schweda: dass die eben genau diese Grenztemperatur erreichen. Drüber könnten wir sie
Kai Schweda: nicht beobachten, weil sie nicht existieren.
Kai Schweda: Also die scheinen genau an der Phasengrenze, wo dieses Quark-Gluon-Plasma sich
Kai Schweda: so stark abgekühlt hat, dass es wieder in normale hadronische Materie zerfällt.
Kai Schweda: Und diese Hadronen, die wir beobachten, haben genau diese Grenztemperatur.
Kai Schweda: Dann sind es andere kollektive Effekte. Wir sehen, wie stark das Medium expandiert.
Kai Schweda: Was eine Entdeckung war, dass die schweren Quarks sehr viel Energie verlieren.
Kai Schweda: Ich habe also eine Farbladung, das ist alles starke Wechselwirkung.
Kai Schweda: Ich habe ein schweres Quark, ein Charmquark, das propagiert in diesem Medium
Kai Schweda: und das verliert sehr viel Energie.
Kai Schweda: Und das ist heute noch schwierig zu beschreiben für die Theorie,
Kai Schweda: warum so schwere Quarks so viel Energie verloren im Quark-Gluon-Plasma.
Tim Pritlove: Das heißt alles was jetzt hier herausfällt ist quasi Nährboden für Wissenschaftlergruppen,
Tim Pritlove: die am Quark-Gluon-Plasma an sich theoretisch und hier sozusagen auch praktisch forschen.
Kai Schweda: Ich denke, es ist fair zu sagen, dass unser Feld sehr stark experimentell getrieben
Kai Schweda: ist. Das heißt, es gibt neue Detektor-Technologien, die eben neue,
Kai Schweda: neuartige Messungen ermöglichen.
Kai Schweda: Und die Theorie versucht das zu
Kai Schweda: beschreiben und dann Erkenntnis über das Quark-Lungen-Plasma zu gewinnen.
Kai Schweda: Also das ist anders an der Teilchenphysik. Das Higgs-Boson wurde 48 Jahre vor
Kai Schweda: seiner Entdeckung vorhergesagt.
Kai Schweda: Die Schwierigkeit war, möglichst viel Energie zu haben, einen großen Kollider,
Kai Schweda: der auch dieses Teilchen erzeugen kann. Bei uns ist es, denke ich, eher umgekehrt.
Kai Schweda: Das ist das Experiment, das den Fortschritt vorantreibt.
Tim Pritlove: Weil man jetzt einfach Daten bekommt aus etwas, was sich sonst nicht so ohne
Tim Pritlove: weiteres theoretisch beschreiben lässt, weil man es noch gar nicht,
Tim Pritlove: sein Wesen noch gar nicht verstanden hat.
Kai Schweda: Ja die Theorie ist eben schwierig. Ich habe versucht das mit der Schneefocke
Kai Schweda: zu erklären. Wenn ich ein Einzelsteilchen isoliert betrachte,
Kai Schweda: kann ich das sehr gut beschreiben theoretisch.
Kai Schweda: Ja, also das Quark-Klonen-Plasma ist ein Teil von ALICE. Wir können mit diesen
Kai Schweda: Kollisionen viel, viel mehr machen. Das tun wir auch. Das ist eine fantastische
Kai Schweda: Teilchenquelle, ein Quark-Klonen-Plasma.
Kai Schweda: Da kommen alle möglichen Teilchen raus, die es gibt. Die werden alle thermisch gekocht.
Kai Schweda: Die springen da alle raus. Wir können zum Beispiel auch nach Antimaterie schauen,
Kai Schweda: weil es wird genauso viel, die Energien sind so hoch beim Ladschadon-Kollider,
Kai Schweda: dass wir genauso viel Materie wie Antimaterie erzeugen.
Kai Schweda: Also es gibt aus den Kollisionen kommen genauso viel Proton raus wie Antiproton
Kai Schweda: und es gibt noch andere Teilchen.
Kai Schweda: Und zum Beispiel Anti-Alpha-Teilchen.
Kai Schweda: Rutherford hat ja damals das Alpha-Teilchen genommen. Das ist ein Heliumkern,
Kai Schweda: zwei Protonen, zwei Neutronen.
Kai Schweda: Und dazu gibt es auch ein Anti-Teilchen, das wurde schon entdeckt.
Kai Schweda: Das besteht aus zwei Antiprotonen, zwei Antineutronen.
Kai Schweda: Und jetzt können wir diese Teilchen untersuchen und schauen,
Kai Schweda: haben die genau die gleiche Masse, das Teilchen und das Antiteilchen.
Kai Schweda: Das ist eine fundamentale Vorhersage von jeder Theorie im Standardmodell der
Kai Schweda: Teilchenphysik, dass Teilchen und Antiteilchen gleich schwer sind und gleiche Lebensdauer haben.
Kai Schweda: Wenn das nicht so wäre, hätten wir eine große Krise in der theoretischen Physik.
Kai Schweda: Also niemand glaubt das.
Kai Schweda: Das heißt aber, wir müssen das testen. Und das können wir in ALICE,
Kai Schweda: wenn wir das testen mit den Daten, die wir jetzt die nächsten zehn Jahre nehmen.
Kai Schweda: Wir nehmen deutlich mehr Daten.
Kai Schweda: Wir haben jetzt letztes Jahr, im ersten Jahr schon in Proton-Proton-Kollisionen,
Kai Schweda: 300 Mal mehr Daten aufgezeichnet, als wir die ganzen zehn Jahre davor aufgezeichnet haben.
Kai Schweda: Nur um so einen Geschmack dafür
Kai Schweda: zu kriegen, welche irren Datenraten unser Detektor jetzt verdauen kann.
Kai Schweda: Und da wollen wir zum Beispiel diese Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie untersuchen
Kai Schweda: für Anti-Alpha-Teilchen.
Tim Pritlove: Um diesen permanenten Test des Standardmodells durchzuführen.
Tim Pritlove: Passt das Modell eigentlich wirklich so gut wie wir denken oder haben wir irgendwo nochmal einen Flaw?
Tim Pritlove: Aber ist schon irgendwas damit bestätigt worden oder ist es sozusagen,
Tim Pritlove: es konnte nur bisher nicht widerlegt werden? Wie muss man das so definieren?
Kai Schweda: Niemand erwartet ernsthaft, dass wir jetzt einen Unterschied sehen,
Kai Schweda: aber man soll, Steven Weinberg hat das mal gesagt, den ich sehr verehre,
Kai Schweda: der leider letztes Jahr gestorben ist, ein großer theoretischer Physiker,
Kai Schweda: schauen, wo niemand vorher geschaut hat. Das können wir auch,
Kai Schweda: diese Möglichkeit haben wir in ALICE.
Kai Schweda: Wir haben zum Beispiel das schon gemacht für Deuteron und Helium-3-Kerne.
Kai Schweda: Da haben wir die Teile, ein Deuteron ist ein Proton und ein Neutron und Helium-3
Kai Schweda: ist zwei Antiprotonen und nur ein Antineutron.
Kai Schweda: Da haben wir schon gezeigt, dass wir Massendifferenzen messen können.
Kai Schweda: Mit guter Genauigkeit haben wir das veröffentlicht. Und der nächste Schritt
Kai Schweda: ist einfach mit mehr Daten können wir dann zu schwereren Kernen gehen.
Kai Schweda: Also es ist noch nichts, wir haben noch nichts gefunden, das dem Standardmodell widerspricht.
Kai Schweda: Du hättest das in der Zeitung schon oder im Fernsehen gesehen.
Tim Pritlove: Mit Sicherheit. Aber was ist denn schon an Erkenntnissen herausgekommen,
Tim Pritlove: wovon ich auch noch nichts mitbekommen habe? Was sind so die grundlegenden Erkenntnisse,
Tim Pritlove: die Alice abgeworfen hat?
Kai Schweda: Zum Beispiel die Teilchen haben eine bestimmte Lebensdauer und wir können,
Kai Schweda: weil unser Detektor so präzise ist, zum ersten Mal werden ja alle möglichen
Kai Schweda: Teilchen erzeugt bei uns in dieser Bleiblei-Kollision.
Kai Schweda: Wir können dann Teilchen mit sehr hoher Genauigkeit, deren Masse oder Lebensdauer
Kai Schweda: auch messen. Wir haben jetzt gerade das Lambda-Baryon untersucht.
Kai Schweda: Das ist ein Neutron, wo ich ein leichtes Quark rausnehme und dafür ein bisschen
Kai Schweda: schwereres, das Strange-Quark, reintue.
Kai Schweda: Und diese Lebensdauer hat eine bestimmte experimentelle Präzision und wir haben
Kai Schweda: das um einen Faktor 3 verbessert.
Kai Schweda: Also man weiß jetzt auch dreimal mehr, welche Lebensdauer dieses Lambda Teilchen hat.
Kai Schweda: Das kann man jetzt in einen Kernverband einbauen, in einen Deuteron zum Beispiel.
Kai Schweda: Und da gab es 50 Jahre lang Spekulationen, ob das, wenn das jetzt dieses Lambda
Kai Schweda: Baryon gebunden ist, also ein Neutron mit einem schweren Quark,
Kai Schweda: einem Strange Quark, ob das dann die Lebensdauer beeinflusst.
Kai Schweda: Und da gab es die letzten 50 Jahre viele, viele Experimente,
Kai Schweda: die was gesehen haben, die keinen Unterschied gesehen haben und das haben wir
Kai Schweda: jetzt auch entscheidend beantwortet, die Frage.
Kai Schweda: Dieses Lebensdauer ist die gleiche im Kernverbund von einem Deuteron wie für
Kai Schweda: ein Freies Lambda-Teilchen.
Kai Schweda: Also es sind einfach Präzisionsmessungen, die gehen dann auch in die Bibel der
Kai Schweda: Teilchenphysik ein, weil alle Teilchen, die man kennt, sind gelistet in einem Particle Data Book.
Kai Schweda: Das wird jedes Jahr auf den neuesten Stand gebracht und da haben wir als eine
Kai Schweda: Messung beigetragen, die dreimal genauer ist als alle anderen Experimente zuvor.
Tim Pritlove: Was sind denn jetzt, also das ist natürlich für die Wissenschaft super spannend,
Tim Pritlove: solche Detailupdates und so ein permanentes Verbessern eines Verzeichnisses
Tim Pritlove: aller wesentlichen Eigenschaften.
Tim Pritlove: Was sind so die großen Fragen, die durch die Arbeit mit Alice touchiert werden?
Kai Schweda: Ja, das ist die zugrundelegende Theorie, das ist eine relativistische Quantenfeldtheorie,
Kai Schweda: die die starke Wechselwirkung beschreibt. Die so beschreibt,
Kai Schweda: wie Quarks und Gluten miteinander, sich zueinander verhalten,
Kai Schweda: wie die wechselwirken, das ist die Quanten-Chromodynamik.
Kai Schweda: Es gibt die Quanten-Elektrodynamik, die beschreibt eben die elektromagnetische
Kai Schweda: Wechselwirkung auf dem Quantenniveau und ist relativistisch korrekt.
Kai Schweda: Und so gibt es in der starken Wechselwirkung die Quanten-Chromodynamik.
Tim Pritlove: Da kommt das auch mit der Farbe her, wir haben ja vorhin schon darüber gesprochen,
Tim Pritlove: das ist natürlich nicht so, dass wir hier von Farben reden, sondern das ist
Tim Pritlove: ein Bild, um einfach Zusammenhänge dieser Teilchen, also der Wechselwirkung
Tim Pritlove: zu beschreiben, also Eigenschaften davon zu beschreiben.
Tim Pritlove: Und wahrscheinlich weil mal wieder nichts anderes im Regal zu greifen war,
Tim Pritlove: hat man gesagt, dann nehmen wir jetzt einfach Farben und deswegen heißt es auch Chromo.
Kai Schweda: Ganz genau. Also es ist streng genommen die Farbladung, genau wie die elektrische
Kai Schweda: Ladung die Ursache der elektromagnetischen Kraft ist, so ist die Farbladung
Kai Schweda: die Ursache der Farbladung.
Tim Pritlove: Ja, man hätte jetzt auch ein anderes Bild nehmen können als Farbe,
Tim Pritlove: aber das ist es einfach geworden.
Kai Schweda: Ja, aber das weißt du wahrscheinlich, das kommt daher, weil die Quarks in drei,
Kai Schweda: um einen Proton zu machen brauche ich drei Quarks, um einen Neutron zu machen
Kai Schweda: brauche ich drei Quarks.
Kai Schweda: Da hat man gesagt, also zwei Quarks geht nicht. Es geht ein Quark und ein Antiquark,
Kai Schweda: das heißt diese Farbladung, das Quark hat Rot, Gelb oder Grün,
Kai Schweda: die kann man auch 1, 2, 3 nennen oder wie auch immer, dass die drei Farben im
Kai Schweda: Proton, die drei verschiedenen Farben im Proton,
Kai Schweda: Farben, die ein Proton haben kann, müssen sich so addieren, dass es farbneutral ist.
Tim Pritlove: Also rot, grün, blau.
Kai Schweda: Rot, grün, blau, aber eigentlich nach der Farbenlehre ist es nicht rot,
Kai Schweda: grün, blau, sondern rot, gelb, blau oder umgekehrt. Auf jeden Fall hat man das,
Kai Schweda: genau wie du sagst, versucht anschaulich zu machen. Warum habe ich jetzt drei
Kai Schweda: und nicht zwei oder sieben?
Kai Schweda: Und das kann man mit den Spektralfarben sehr gut erklären, dass dann immer eine weiße Farbe rauskommt.
Tim Pritlove: Ok, aber das ist sozusagen, man will die starke Kernkraft besser verstehen,
Tim Pritlove: man weiß die kommen einfach in Dreiergruppen, also muss es dann irgendeiner
Tim Pritlove: Form Eigenschaften geben, die dafür sorgen, dass es immer drei sein müssen.
Kai Schweda: Und was wir gut verstehen theoretisch, also nicht ich, sondern meine Freunde
Kai Schweda: aus der Theorie, ist eben, wenn man isolierte Prozesse bei sehr hohen Energien
Kai Schweda: anschaut, dann kann man das sehr genau berechnen.
Kai Schweda: Wir machen eine störungstheoretische Rechnung und kann die Experimente beschreiben.
Kai Schweda: Was wir in ALICE machen, ist, wir gucken uns die Vielteilchenaspekte an.
Kai Schweda: Also nicht ein isoliertes Teilchen, ein isoliertes Quark, sondern sehr,
Kai Schweda: sehr viele Teilchen. Sehr viele Quarks und Gluren in verschiedenen Farben,
Kai Schweda: schwere Quarks, leichte Quarks.
Kai Schweda: Und wir versuchen die Vielteilchenaspekte der starken Wechselwirkung zu untersuchen
Kai Schweda: und experimentell präzise zu bestimmen.
Kai Schweda: Und das ist, was wir noch sehr wenig verstehen, obwohl es da sehr großen Aufwand
Kai Schweda: gibt in der Theorie. Es ist also noch ein recht junges Feld,
Kai Schweda: da kommen wir zurück zu der Schneeflocke.
Kai Schweda: Ich kann die Quantenelektrodynamik nehmen, ich kann damit aber nicht ausrechnen,
Kai Schweda: welche Form eine Schneeflocke hat, weil sehr sehr viele Teilchen daran teilnehmen
Kai Schweda: und dann gibt es auch neue Effekte, die man erst mal so nicht in den elementaren Gleichungen sieht.
Tim Pritlove: Und gibt's hier auch eine Perspektive so die die großen Fragezeichen der Physik
Tim Pritlove: in irgendeiner Form zu bespielen,
Tim Pritlove: das was so auch die Kosmologie vor allem irre macht mit dunkler Materie und dunkler Energie,
Tim Pritlove: also ich meine wenn wir hier mit diesem Quark-Luhren-Plasma sozusagen an der,
Tim Pritlove: Ich weiß nicht, ob ich Geburt sagen soll,
Tim Pritlove: aber zumindest an diesem Urknall, diesem sehr besonderen Moment,
Tim Pritlove: wenn wir da sozusagen in dieser Ursuppe herumforschen, lässt sich daraus irgendetwas
Tim Pritlove: ableiten für das, was wir heute im All sehen und uns noch nicht erklären können.
Kai Schweda: Ja, alles kann was dazu beitragen und hat beigetragen zur dunklen Materie.
Kai Schweda: Dunkle Materie ist dunkel, das heißt wir sehen sie nicht, die strahlt nicht
Kai Schweda: elektromagnetisch, die sendet kein Licht aus.
Kai Schweda: Und wir wissen nur von ihrer Existenz, weil wir sehen wie die sich gravitativ
Kai Schweda: verhält. Also die beeinflusst andere Objekte um sich herum.
Tim Pritlove: Die Menschen sind nur Materie, obwohl wir ja auch nicht sicher sind, ob es welche ist.
Kai Schweda: Also es ist nicht Energie, es ist nicht nur Energie, es ist auch Materie.
Kai Schweda: Aber gut eigentlich wissen wir gar nichts was dunkle Materie ist.
Tim Pritlove: Es tut das, was normalerweise nur Materie tut. Man sieht sie nicht deswegen
Tim Pritlove: nennt man sie dunkle Materie, aber es könnte sich ja auch herausstellen,
Tim Pritlove: dass es was komplett anderes ist, was die Gravitation mit beeinflusst.
Kai Schweda: Ja, also wenn du mich fragst, das ist aber meine persönliche Meinung,
Kai Schweda: dunkle Materie ist eine Umschreibung für unsere komplette Unkenntnis, für was das ist.
Kai Schweda: Ich glaube das ist ganz okay. Es gibt ja auch Leute, die versuchen die Gleichung
Kai Schweda: der Gravitation so zu ändern, dass man gar keinen neuen Materieterm findet,
Kai Schweda: aber das hat eigene Probleme.
Kai Schweda: Also, das Standardmodell der Teilchenphysik, das hat was dazu zu sagen,
Kai Schweda: nicht das Standardmodell, sondern die erste, die minimale supersymmetrische Erweiterung.
Kai Schweda: Das heißt, das hat man ja bevor der LHC angeschaltet wurde, gab es ja große
Kai Schweda: Hoffnung, dass die sogenannte Supersymmetrie verwirklicht ist in der Natur.
Kai Schweda: Das heißt, es gibt also eine Theorie, die sagt, okay, für alle Teilchen,
Kai Schweda: die wir jetzt im Standardmodell haben, gibt es ein korrespondierendes supersymmetrisches
Kai Schweda: Teilchen, das viel schwerer ist. Zum Beispiel gibt es zum Elektron ein s-Elektron.
Kai Schweda: Oder zum Neutrino gibt es ein Neutralino. Also man verdoppelt den Teilchen so,
Kai Schweda: der Elementarteilchen.
Kai Schweda: Die müssen viel schwerer sein, sonst hätten wir sie schon gesehen.
Kai Schweda: Und das war die große Hoffnung, als der Large Hadron Collider losging.
Kai Schweda: Bisher hat man noch keine gesehen.
Kai Schweda: Und ich glaube die Hoffnung ist ein bisschen am schwinden.
Kai Schweda: Deshalb gucken wir trotzdem danach. Und was wir gemacht haben in ALICE ist,
Kai Schweda: wir können dazu einen wichtigen Beitrag liefern.
Kai Schweda: Zum Beispiel das Experiment EMS, das Alpha Magnet Spektrometer,
Kai Schweda: das auf der internationalen Raumstation Daten nimmt.
Kai Schweda: Das guckt zum Beispiel nach Anti-Kernen, zum Beispiel nach Anti-Helium-3-Kernen.
Kai Schweda: Zwei Antiprotonen, ein Antineutron. Und dann ist die Frage, die haben noch keinen,
Kai Schweda: zumindest nicht veröffentlicht, nachgewiesen.
Kai Schweda: Wenn die jetzt Anti-Helium-3 sehen, also ein Anti-Kern, recht schwerer,
Kai Schweda: schwerer als das Proton zum Beispiel. Immer noch ein leichter Kern, okay.
Kai Schweda: Dann ist die Frage, wo kommt das her? Und das könnte zum Beispiel von Prozessen
Kai Schweda: kommen, von einem supersymmetrischen Teilchen, dem Neutralino.
Kai Schweda: Das Neutralino ist elektrisch neutral, nimmt also nicht an der elektromagnetischen Wechselwirkung teil.
Kai Schweda: Es ist das leichteste supersymmetrische Teilchen. Das heißt,
Kai Schweda: alle anderen Teilchen müssen irgendwann in Richtung dieses Neutralinos zerfallen sein.
Kai Schweda: Die wurden am Urknall entdeckt, erzeugt und das Neutralino ist stabil.
Kai Schweda: Das heißt, es kann auch nicht in Standardmodellteilchen zerfallen.
Kai Schweda: Das heißt, wenn es die wirklich gibt und das ist der Ansatz dunkler Materie
Kai Schweda: mit der Teilchenphysik zu erklären, Dann wurden die möglicherweise beim Urknall
Kai Schweda: erzeugt und bevölkern zum Beispiel den Balg unserer Galaxie.
Kai Schweda: Und es stellt sich heraus, die Neutralinos sind auch ihr eigenes Antiteilchen.
Kai Schweda: Das heißt, die zerfallen zwar nicht, wenn ich aber viele Neutralinos habe,
Kai Schweda: kannst du mir noch folgen, dann können die sich miteinander vernichten und würden
Kai Schweda: auch schwere Antikerne erzeugen.
Kai Schweda: Das heißt also ein Antihelium-3-Kern im Weltall wäre ein Signal für die Vernichtung
Kai Schweda: von zwei supersymmetrischen Teilchen, die Kandidaten für dunkle Materie sind.
Kai Schweda: Und wir haben bestimmt, wenn dieses Teilchen irgendwo weit weg von uns in der
Kai Schweda: Galaxie erzeugt wird, ob das überhaupt bei der Internationalen Space Station ankommen würde.
Kai Schweda: Also wir haben mit diesen Antihelium-3-Kernen, die aus unserem Quark-Lum-Plasma
Kai Schweda: kommen, haben wir bestimmt, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist,
Kai Schweda: dass so ein Teilchen absorbiert wird auf seinem Weg vom Balg der Galaxie bis
Kai Schweda: zur Internationalen Space Station.
Kai Schweda: Wir haben festgestellt, dass unsere Galaxie recht transparent ist dafür.
Kai Schweda: Also drei Viertel aller Antihelium-Dreikerne kommen noch an, wenn es die gibt.
Kai Schweda: Wenn es die gibt, also wenn AMS das sieht, wäre das ein wunderbares Signal.
Tim Pritlove: Ich habe zu AMS auch schon eine Raumzeitfolge gemacht, Nummer 38,
Tim Pritlove: das ist jetzt schon eine Weile her. Also das Ding ist jetzt schon seit ein paar
Tim Pritlove: Jahren in Betrieb. Ist denn da überhaupt schon was Interessantes bei herausgekommen,
Tim Pritlove: was sich mit der Arbeit von Ellis kombinieren lässt?
Kai Schweda: Ja, die haben genau diese Teichensprecken gemessen und es zeigt sich,
Kai Schweda: die Protonen sind, es gibt ja auch kosmische Strahlung, die auf unsere Atmosphäre
Kai Schweda: trifft, da kommen auch Antiprotonen raus.
Kai Schweda: Das heißt die Antiprotonen und die bisschen schwereren Antideuterungen, die sind wohl nicht gut.
Kai Schweda: Der Untergrund, auch diese Prozesse haben wir gemessen, die kosmische Strahlung
Kai Schweda: trifft ja auf ruhende Kerne in unserer Atmosphäre und die Energie am LHC ist ein Kollider.
Kai Schweda: Das heißt, was wir am LHC haben, trifft zufällig genau die Energie,
Kai Schweda: die die kosmische Strahlung im Schwerpunktsystem macht.
Kai Schweda: Und da haben wir auch Produktionsraten von Antiproton, Antideuteron,
Kai Schweda: also von Antikernen gemessen, was dann der Untergrund für solche Messungen ist.
Kai Schweda: Also es gibt einen Untergrund und es gibt ein Signal von der Neutralino-Vernichtungsstrahlung.
Kai Schweda: Und daraus schließen wir das mit Antihelium 3, wenn man ein gutes Signal extrahieren
Kai Schweda: kann, wenn es das eins gibt.
Tim Pritlove: Das heißt es gibt da noch keine Smoking Gun für die dunkle Materie,
Tim Pritlove: das ist alles noch Theorie?
Tim Pritlove: Ja natürlich, sonst hättest du davon gehört.
Kai Schweda: Es gibt aber auch andere Ansätze für dunkle Materie, schwarze Löcher,
Kai Schweda: mini schwarze Löcher, die überall sind im Universum. Also das ist sehr sehr
Kai Schweda: aktuell natürlich momentan.
Tim Pritlove: Ja man ist sich auf jeden Fall nicht einig. Bin sehr gespannt ob da demnächst nochmal was kommt.
Kai Schweda: Das zeigt ja, dass es spannend ist.
Tim Pritlove: Ich habe noch so eine Erinnerung, dass auch die Theorien, die hinter Neutronensternen
Tim Pritlove: stehen, mit diesem Quark, Gluon, Plasma zu tun haben.
Kai Schweda: Ja, die Frage ist, als man nur Protonen und Neutronen kannte,
Kai Schweda: da haben die Herren Oppenheimer und Volkow schon in den 1930er Jahren gezeigt,
Kai Schweda: Man nimmt einfach die Kernmaterie, die Eigenschaften, wie stark lässt sich Kernmaterie komprimieren.
Kai Schweda: Und irgendwann, die Kernmaterie zieht sich natürlich an, aber irgendwann stoßen
Kai Schweda: die zusammen und dann kann man die nicht weiter komprimieren.
Kai Schweda: Und das ist das, was einen Neutronenstern stabilisiert gegen den gravitativen
Kai Schweda: Kollaps. Also der Neutronenstern hat ja 1,5 Sonnenmassen oder so,
Kai Schweda: also im Bereich der Sonnenmasse.
Kai Schweda: Und wenn die Kernfusion beendet ist, gibt es keinen thermodynamischen Druck,
Kai Schweda: der diesen gravitativen Kollaps auffällt.
Kai Schweda: Das heißt, der Stern fällt in sich zusammen, aber die Kernmaterie stabilisiert,
Kai Schweda: die Inkompressibilität der Kernmaterie stabilisiert diesen Neutronenstern.
Kai Schweda: Und die Herren Oppenheimer, Volkow und Tolman, denke ich, die haben einfach
Kai Schweda: sich die Struktur der Kernmaterie hergenommen und gesagt, Okay,
Kai Schweda: maximal kann ich mit gewöhnlicher Kernmaterie Neutronensternen bis 1,8 Sonnenmassen stabilisieren.
Kai Schweda: Wenn der schwerer ist, kollabiert der und wird zum schwarzen Loch.
Kai Schweda: Jetzt hat man vor zehn Jahren gefunden, es gibt Neutronensterne,
Kai Schweda: die haben ein bisschen mehr Masse.
Kai Schweda: Und die Frage ist, was verhindert, dass diese Neutronensterne in sich zusammenstürzen
Kai Schweda: und ein schwarzes Loch binden? Was stabilisiert die gegen den Kollaps?
Kai Schweda: Und das können nicht nur Neutronen und die Neutronen sein.
Kai Schweda: Das kann ein Quarkblumenlastmal sein oder nur die Quarks, dass man eben keine
Kai Schweda: Neutronen hat, sondern so eine Quarksuppe im inneren Kern von den Neutronen
Kai Schweda: schneiden. Ist aber alles spekulativ.
Tim Pritlove: Alles noch Spekulation.
Tim Pritlove: Ja, jetzt könnte ich fragen, haben wir noch was vergessen? Haben wir unter Garantie.
Tim Pritlove: Es gibt ja viele Details.
Tim Pritlove: Was sollten wir vielleicht noch am Ende hinzufügen zu dem, was wir bisher besprochen haben?
Tim Pritlove: Das Bild abzurunden, was man von diesem Detektor, diesem Experiment hat.
Kai Schweda: Also ALICE gibt es jetzt seit 30 Jahren. Wir haben im letzten Monat den 30-jährigen Geburtstag gefeiert.
Kai Schweda: Wir haben jetzt einen brandneuen Detektor, mit dem wir 10 Jahre messen.
Kai Schweda: Und danach wollen wir einen komplett... Da geht auch die Zeitprojektionskammer
Kai Schweda: raus, weil die Raten dann so hoch werden am LHC, dass wir die Zeitprojektionskammer
Kai Schweda: nicht nutzen können. Auf der anderen Seite haben wir einen Durchbruch in der
Kai Schweda: Detektortechnologie mit Silizium.
Kai Schweda: Wir wollen in zehn Jahren einen komplett siliziumbasierten Detektor bauen,
Kai Schweda: der praktisch gar keine Masse hat, dass die Teilchen überhaupt nicht stören.
Kai Schweda: Das wollen wir in zehn Jahren einbauen und zehn Jahre damit messen bis 2042.
Kai Schweda: Also jetzt ist ALICE 30 und wir haben einen konkreten Plan für die nächsten
Kai Schweda: zehn Jahre und wollen noch 20 Jahre weitermachen bis zum Ende des LACs.
Tim Pritlove: Das heißt, dieses Upgrade mit den Pixeldetektoren aus Siliziumfolien,
Tim Pritlove: das ist im Prinzip auch so ein bisschen die Zukunft dieses Detektors.
Tim Pritlove: Also es hat sich als so gut erwiesen, dass man davon möglichst viel haben möchte.
Kai Schweda: Ja, ganz genau. Und andere Detektoren haben auch Silizium, aber was besonders
Kai Schweda: ist an unserem, dass der so unglaublich dünn ist und wir entfernen wirklich
Kai Schweda: alles. Auch die Ausleseelektronik ist momentan im jetzigen installierten Detektor
Kai Schweda: noch auf dem Silizium aufgebracht.
Kai Schweda: Wir entfernen alles, was nicht aktiver Sensor ist und haben damit praktisch
Kai Schweda: einen masselosen Detektor. Ich glaube, das ist ein einzigartiger Detektor in der Welt.
Tim Pritlove: Super Kai, vielen Dank an dieser Stelle für diese Ausführung.
Tim Pritlove: Schwierig irgendwie so eine hochkomplexe Technologie,
Tim Pritlove: die sich in so einem super Spezialbereich der Physik und damit der Wissenschaft
Tim Pritlove: bewegt, irgendwie zu vermitteln, aber ich bin schon wieder schlauer geworden.
Tim Pritlove: Insofern vielen Dank nochmal für die Ausführung und vielen Dank fürs Zuhören
Tim Pritlove: hier bei Raumzeit. Das war der LS Detektor.
Tim Pritlove: Weitere Detektoren werden folgen bis wir hier das CERN ausreichend zusammengefasst haben.
Tim Pritlove: Bis dahin sage ich Tschüss, bis bald!