WEBVTT NOTE Podcast: Raumzeit Episode: RZ114 CERN: CMS Publishing Date: 2023-08-16T11:00:00+02:00 Podcast URL: https://raumzeit-podcast.de Episode URL: https://raumzeit-podcast.de/2023/08/16/rz114-cern-cms/ 00:00:34.996 --> 00:00:39.309 Hallo und herzlich Willkommen zu Raumzeit, dem Podcast über Raumfahrt und andere. 00:00:39.309 --> 00:00:39.909 Kosmische Angelegenheiten. 00:00:41.281 --> 00:00:45.143 Mein Name ist Tim Frithloff und ich begrüße alle hier zu Nummer 114 von Raumzeit. 00:00:47.245 --> 00:00:52.208 Und ja, wie ihr schon gemerkt haben dürftet, gibt es ja hier eine ganze Serie 00:00:52.208 --> 00:00:57.832 von Podcasts hier am CERN in Genf, wo wir mal aufschlüsseln wollen, 00:00:57.832 --> 00:01:01.494 was denn hier eigentlich alles so installiert ist, warum und wie es funktioniert. 00:01:02.215 --> 00:01:06.878 Und nachdem wir jetzt schon ein wenig über die Geschichte des CERNs gelernt 00:01:06.878 --> 00:01:10.701 haben und auch so die Grundlagen der ganzen Physik, 00:01:10.701 --> 00:01:13.743 die hier erforscht wird, 00:01:13.743 --> 00:01:18.626 angerissen haben, uns auch schon den ersten Detektor angeschaut haben mit ALICE, 00:01:18.626 --> 00:01:23.479 wollen wir heute mal so ein bisschen auf den Kern der Kernforschung hier kommen 00:01:23.479 --> 00:01:31.554 und uns in einer Reihe von zwei Sendungen die Hauptdetektoren des LHC, 00:01:31.554 --> 00:01:38.078 des Large Hadron Collider, anschauen, mit denen so der Großteil der Experimente durchgeführt wird. 00:01:38.839 --> 00:01:47.523 Und fangen wir an mit dem CMS-Detektor, dem Compact Muon Solenoid, Toller Name, Detektor. 00:01:49.585 --> 00:01:54.107 Ja und um darüber Auskunft zu erhalten, begrüße ich meinen Gesprächspartner, 00:01:54.107 --> 00:01:55.668 nämlich Wolfgang Adam. Hallo Wolfgang. 00:01:55.668 --> 00:01:56.188 Hallo. 00:01:56.769 --> 00:02:03.873 Herzlich willkommen bei Raumzeit. Du bist Senior Research Associate für CMS 00:02:03.873 --> 00:02:08.135 Analyse und CMS Tracking und stellvertretender Sprecher. 00:02:08.416 --> 00:02:13.142 Genau, ich arbeite für das Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen 00:02:13.142 --> 00:02:18.589 Akademie der Wissenschaften in Wien und habe eben gleichzeitig auch Funktionen 00:02:18.589 --> 00:02:22.154 in der Kollaboration, die das CMS-Experiment betreibt. 00:02:22.719 --> 00:02:26.862 Ja und wie bist du dazu gekommen mit der ganzen Wissenschaft? 00:02:27.102 --> 00:02:28.823 War das irgendwie schon ein Kindheitstraum? 00:02:29.864 --> 00:02:33.762 Naja ich hatte mich früher für Mathematik, 00:02:33.762 --> 00:02:39.330 Technik, Physik interessiert und habe dann ein Studium der Physik an der Technischen 00:02:39.330 --> 00:02:43.853 Universität in Wien begonnen und als es Richtung Diplom ging, 00:02:43.853 --> 00:02:46.955 hatten wir einen Professor für Theoretische Physik, 00:02:46.955 --> 00:02:51.939 der gleichzeitig zu dieser Zeit Präsident des CERN Councils war, 00:02:51.939 --> 00:02:57.833 das heißt der Vertretung an der CERN-Mitgliedsstaaten, die die strategische 00:02:57.833 --> 00:03:00.025 Ausrichtung des CERN sozusagen definieren. 00:03:02.427 --> 00:03:07.851 Und er hat uns eben diese Art von Physik näher gebracht und von den Herausforderungen 00:03:07.851 --> 00:03:09.792 gesprochen, die es hier gibt. 00:03:10.253 --> 00:03:15.637 Und das hat mich natürlich interessiert habe mich dann für meine Diplomarbeit 00:03:15.637 --> 00:03:18.609 beworben beim Institut für Hochenergiephysik, 00:03:18.609 --> 00:03:24.102 das eben das Institut in Wien ist, das sich mit dieser experimentellen Hochenergiephysik 00:03:24.102 --> 00:03:29.905 beschäftigt und bin dort eingestiegen in die Vorbereitung des Delphi-Experiments. 00:03:32.687 --> 00:03:37.170 Das war der Beschleuniger, der hier im Tunnel vor dem LHC gelaufen ist, 00:03:37.170 --> 00:03:43.073 LEP, Large Electron Positive Collider, und wir haben da eine Detektor-Komponente 00:03:43.073 --> 00:03:47.276 in Wien gebaut und ich habe mich dann angefangen damit zu beschäftigen und bin 00:03:47.276 --> 00:03:54.360 dann zum CERN gekommen um die Installation und den Betrieb und die Auslese dieses 00:03:54.360 --> 00:03:57.082 Detektors zu übernehmen. 00:03:57.923 --> 00:04:00.324 Das war ab dem Ende der 80er Jahre, 00:04:00.324 --> 00:04:04.186 also LEP ist während der 90er Jahre gelaufen, Also die beginnen 1989. 00:04:06.769 --> 00:04:10.451 Das heißt du bist jetzt hier seit 30 Jahren oder länger noch? 00:04:10.451 --> 00:04:11.252 Ja. Ja. 00:04:11.252 --> 00:04:13.634 Okay. 00:04:13.634 --> 00:04:20.138 Und ich habe dann am CERN ein Fellowship gemacht, im selben Experiment, 00:04:20.138 --> 00:04:23.840 aber in einem anderen Detektor, dem Cherenkov Detektor. 00:04:24.441 --> 00:04:27.343 Das ist etwas, was wir hier CMS nicht finden, 00:04:27.343 --> 00:04:30.986 aber das ist ein Detektor, mit dem man Geschwindigkeit geladener Teilchen 00:04:30.986 --> 00:04:36.811 messen kann und sie damit identifizieren kann und habe 00:04:36.811 --> 00:04:41.694 dann verschiedene Physikgruppen in Delphi übernommen und dann gegen Ende der 00:04:41.694 --> 00:04:48.534 Lablaufzeit auch eine gemeinsame Arbeitsgruppe der vier Lab-Experimente für 00:04:48.534 --> 00:04:54.368 Suchen nach unter Anführungszeichen exotischer Physik, also neuen Teilchen. 00:04:56.096 --> 00:04:59.879 Exotische Physik. Tcherenkov-Strahlung war ja auch schon mal ein Thema, 00:04:59.879 --> 00:05:03.802 Raumzeit 104, da war ich auf La Palma 00:05:03.802 --> 00:05:07.805 und wir haben dort die Pläne für das Tcherenkov-Teleskop-Array angeschaut. 00:05:10.288 --> 00:05:14.331 Das ist ja related, sagen wir mal, da kosmische Strahlung und so weiter. 00:05:14.691 --> 00:05:17.913 Genau, nur entsteht dort die Tcherenkov-Strahlung in der Atmosphäre. 00:05:18.304 --> 00:05:22.677 Da muss man nicht beschleunigen. Genau, während hier in den Hochenergiephysik-Experimenten 00:05:22.677 --> 00:05:24.438 das innerhalb eines Detektors passiert. 00:05:24.438 --> 00:05:27.340 Genau, aber das ist ja immer wieder auch schön zu sehen, so diese Analogie. 00:05:28.000 --> 00:05:32.243 Auf der einen Seite gibt es halt die Installationen, die einfach versuchen die 00:05:32.243 --> 00:05:35.725 kosmische Strahlung, die ohnehin schon beschleunigt durchs All schießt, 00:05:35.725 --> 00:05:36.865 in irgendeiner Form auszuwerten. 00:05:38.306 --> 00:05:41.828 Da wäre ja nebenbei auch noch das Alpha Magnetspektrometer zu erwähnen. 00:05:44.130 --> 00:05:48.493 Hatte ich ja auch schon bei Raumzeit 38 schon vor 10 Jahren tatsächlich das 00:05:48.493 --> 00:05:53.576 Thema schon mal, dessen Kontrollzentrum ja tatsächlich hier auch auf dem Zerngelände ist. 00:05:53.796 --> 00:05:56.818 Genau, aber wie wir ja auch schon in den letzten drei Sendungen ausgeführt haben, 00:05:56.818 --> 00:06:01.441 hier wird halt viel beschleunigt und durch diese Kaskade von Ringen kriegt man 00:06:01.441 --> 00:06:06.284 dann halt einfach die Teilchen mit einer sehr sehr hohen Energie zu den Detektoren 00:06:06.284 --> 00:06:11.748 und das ist dann eben sozusagen der Ort, wo es dann unter anderem mit dem CMS weitergeht. 00:06:13.209 --> 00:06:18.552 Genau, und das hat natürlich auch Auswirkungen auf die Auslegung der Experimente, 00:06:18.552 --> 00:06:23.566 weil wir eben hier nicht natürlich vorkommende Phänomene betrachten, 00:06:23.566 --> 00:06:29.841 die über Zeit konstant beobachtet werden können, sondern wir generieren hier 00:06:29.841 --> 00:06:33.104 die Kollisionen, die wir beobachten wollen, direkt. 00:06:33.905 --> 00:06:39.790 Und das hat natürlich Auswirkungen auf, wie wir die Detektoren auslegen, betreiben. 00:06:41.291 --> 00:06:44.293 Jetzt wollen wir nochmal sagen, also ich hab's ja schon angedeutet, 00:06:44.293 --> 00:06:50.078 also CMS und Atlas, was, Spoiler Alert, das Thema in der nächsten Sendung sein 00:06:50.078 --> 00:06:51.679 wird, das sind ja im Prinzip so... 00:06:55.844 --> 00:06:59.165 Geschwister, Nachbarn, die kümmern sich im Wesentlichen um freundliche Konkurrenten. 00:07:00.926 --> 00:07:06.389 Also zwei Detektoren mit unterschiedlicher Technik, die mehr oder weniger denselben Auftrag haben. 00:07:06.389 --> 00:07:12.012 Im Prinzip in all dieser ganzen Beschleunigungen die selbe Art von Phänomenen 00:07:12.012 --> 00:07:15.774 versuchen zu beobachten, aber eben mit unterschiedlicher Technik. 00:07:15.774 --> 00:07:18.416 Und das finde ich einen ganz interessanten Ansatz, weil man ja dadurch sozusagen 00:07:18.416 --> 00:07:25.500 von vornherein feststellt, okay, wir haben kein Bias in unserer Technologie bei dem, was wir sehen. 00:07:26.280 --> 00:07:29.382 Oder zumindest nicht so weniger, weniger Bias. 00:07:30.083 --> 00:07:33.305 Es gibt verschiedene Gründe natürlich, das so zu machen. 00:07:34.206 --> 00:07:37.708 Warum wir überhaupt zwei Experimente haben, das hat mit dem zu tun, 00:07:37.708 --> 00:07:41.370 was ich vorhin erwähnt habe, dass wir hier eben die Kollisionen selbst erzeugen. 00:07:44.053 --> 00:07:48.035 Ein Grundsatz der Wissenschaft ist natürlich, dass Messungen immer kontrolliert, 00:07:48.035 --> 00:07:50.757 unabhängig kontrolliert werden können von unabhängigen Wissenschaftlern. 00:07:53.839 --> 00:07:57.121 Bei vielen Experimenten kann das hintereinander geschehen. 00:07:58.883 --> 00:08:03.767 Also es wird ein Experiment durchgeführt, man findet etwas, danach kommt ein 00:08:03.767 --> 00:08:06.689 anderes Experiment, das das überprüfen wird und verbessern wird. 00:08:07.189 --> 00:08:10.011 Aber nachdem wir hier natürlich den Beschleuniger betreiben müssen, 00:08:10.011 --> 00:08:18.037 ist es nicht optimal, wenn man die Messzeiten, die ja ohnehin Jahre und Jahrzehnte 00:08:18.037 --> 00:08:20.099 dauern, wenn man die verdoppeln würde. 00:08:21.320 --> 00:08:26.263 Und daher ist es viel ökonomischer, die zwei Experimente gleichzeitig zu betreiben. 00:08:28.605 --> 00:08:33.168 Und für die unterschiedliche Auslegung gibt es verschiedene Gründe, 00:08:33.168 --> 00:08:37.250 technologische Gründe, aber es gibt Es gibt vor allem unsere, 00:08:37.250 --> 00:08:42.213 wenn wir Messungen durchführen, sind die Werte, die wir messen, 00:08:42.213 --> 00:08:44.275 natürlich mit Fehlern behaftet. 00:08:44.615 --> 00:08:48.818 Das heißt, es gibt da Unsicherheiten auf die Messwerte. Das ist vollkommen normal. 00:08:48.818 --> 00:08:50.439 Das geschieht in allen Messungen. 00:08:52.781 --> 00:08:55.322 Und diese Unsicherheiten können verschiedenen Ursprung haben. 00:08:55.722 --> 00:08:58.724 Es gibt einen ganz einfachen statistischen Ursprung. 00:08:58.724 --> 00:09:05.129 Das heißt, wir beobachten eine endliche Zahl von Ereignissen, 00:09:05.129 --> 00:09:09.772 wenn wir einen bestimmten Prozess messen und dadurch können Fluktuationen auftreten. 00:09:11.474 --> 00:09:17.459 Wenn man einen Würfel zehnmal würfelt, dann werden die Eins bis Sechs nicht 00:09:17.459 --> 00:09:19.680 genau mit der gleichen Wahrscheinlichkeit auftreten. 00:09:21.682 --> 00:09:24.603 Also man wird nicht die gleiche Zahl beobachten. 00:09:26.584 --> 00:09:30.026 Ähnlich ist es hier, wenn wir nur eine bestimmte Zahl von gewissen Ereignissen 00:09:30.026 --> 00:09:34.808 beobachten, dann kann diese Zahl einfach ganz natürlich rauf und runter fluktuieren. 00:09:35.528 --> 00:09:41.241 Aber es gibt dann eine zweite Komponente, die wir hier typischerweise systematische 00:09:41.241 --> 00:09:43.011 Fehler nennen. Das ist... 00:09:45.273 --> 00:09:49.155 Mögliche Verzerrungen des Messwerts durch Effekte, die zum Beispiel aus dem 00:09:49.155 --> 00:09:53.639 Detektor kommen können oder aus der theoretischen Modellierung dieser Prozesse. 00:09:55.881 --> 00:09:58.963 Und um diese Fehler möglichst auszuschließen, ist es günstig, 00:09:58.963 --> 00:10:03.186 wenn man zwei Experimente mit unterschiedlichem Aufbau hat, weil Detektorfehler 00:10:03.186 --> 00:10:07.729 dann im anderen Experiment nicht in derselben Form auftreten würden und man 00:10:07.729 --> 00:10:09.351 sich dadurch gegenseitig kontrollieren kann. 00:10:11.753 --> 00:10:14.975 Ja, das ist sozusagen jetzt erstmal die Prämisse gewesen. 00:10:14.975 --> 00:10:19.718 Das heißt die beiden Detektoren sind quasi mit unterschiedlichen Philosophien, 00:10:19.718 --> 00:10:25.222 mit unterschiedlichen technischen Philosophien, aber eben mit dem selben Ziel entwickelt worden. 00:10:25.222 --> 00:10:30.426 Was ich schon mal ganz bemerkenswert finde, weil das sind ja alles sehr komplexe 00:10:30.426 --> 00:10:34.609 Maschinen. Also jede Maschine für sich ist ja schon sehr sehr sehr kompliziert 00:10:34.609 --> 00:10:36.650 und auch so nie dagewesen. 00:10:37.011 --> 00:10:45.717 Also so ein bisschen wie auch in der Raumfahrt, es ist eine permanente Prototypenentwicklung 00:10:45.717 --> 00:10:49.160 und man baut ja nicht was, was man schon mal hatte, weil das kennt man ja schon, 00:10:49.160 --> 00:10:50.040 ist ja auch langweilig so. 00:10:50.661 --> 00:10:54.884 Und das verstehe ich auch sehr gut, das ist einer der Reize, 00:10:54.884 --> 00:10:58.006 der hier sozusagen immer wieder ist. Man hat es halt einfach immer mit Bleeding 00:10:58.006 --> 00:11:04.010 Edge Technology zu tun, mit anderen Worten, man muss aber diesen Aufwand dann 00:11:04.010 --> 00:11:04.970 gleich zweimal treiben. 00:11:05.491 --> 00:11:11.218 Und ist natürlich dann vielleicht auch versucht, in gewisser Hinsicht, Oh mein Gott. 00:11:12.310 --> 00:11:16.693 Also dann steht man ja immer so in diesem Spannungsfeld, machen wir es jetzt 00:11:16.693 --> 00:11:24.838 überall komplett anders aus Prinzip oder tendieren wir dann dazu zu wenig auf 00:11:24.838 --> 00:11:26.999 abgehangener Technologie zu basieren, 00:11:26.999 --> 00:11:31.282 die dann auch so viel Risiko mit in das Ding reinbringt, dass es eben vielleicht 00:11:31.282 --> 00:11:32.382 am Ende nicht funktioniert? 00:11:34.004 --> 00:11:37.866 Die Auslegung dieser Experimente ist immer eine Balance zwischen einem Kompromiss 00:11:37.866 --> 00:11:42.068 zwischen wirklich die neueste und beste Technologie zu verwenden und gleichzeitig 00:11:42.068 --> 00:11:44.189 das Risiko klein zu halten. 00:11:45.611 --> 00:11:49.493 Das Kleinhalten des Risikos, ein Teil davon ist natürlich wiederum, 00:11:49.493 --> 00:11:52.215 dass wir zwei Experimente mit unterschiedlichen Technologien haben. 00:11:53.817 --> 00:11:57.459 Und es gibt natürlich noch eine endliche Zahl von Detektor-Technologien, 00:11:57.459 --> 00:12:03.023 aber das heißt gewisse Elemente werden ähnlich sein, 00:12:03.023 --> 00:12:09.048 aber in den Details unterscheiden sie sich dann und vor allem in der Gesamtkonzeption 00:12:09.048 --> 00:12:10.729 unterscheiden sich die zwei Experimente. 00:12:13.171 --> 00:12:17.353 Gut, dann schauen wir doch mal darauf, was jetzt im Falle von CMS tatsächlich gebaut wurde. 00:12:20.296 --> 00:12:22.397 Wie ist sozusagen das Design des Detektors? 00:12:25.159 --> 00:12:28.902 Im Namen steckt ja schon so einiges drin. Also im Prinzip das Bauprinzip, 00:12:28.902 --> 00:12:33.185 wenn ich das richtig sehe, ist hier unter anderem mit enkodiert. 00:12:35.487 --> 00:12:39.369 Und wie muss man sich das vorstellen? Wie groß ist das Ding? Erzähl doch mal. 00:12:39.470 --> 00:12:44.153 Also wie gesagt, wir haben ein Kompakt im Namen. Das könnte vielleicht etwas 00:12:44.153 --> 00:12:46.595 täuschen, weil der Detektor wiegt über 10.000, 00:12:48.537 --> 00:12:52.059 Tonnen, ist über 20 Meter lang und circa 15 Meter Durchmesser, 00:12:52.059 --> 00:12:54.481 also ungefähr die Größe eines Hauses. 00:12:55.021 --> 00:13:00.085 Und dieses Volumen ist zum großen Teil mit Präzisionstechnologie gefüllt. 00:13:03.010 --> 00:13:05.771 Das Grundprinzip, das gilt auch für Atlas, ist, 00:13:05.771 --> 00:13:08.999 dass wir idealerweise, wir haben diese Kollisionen, 00:13:08.999 --> 00:13:12.936 die im Beschleuniger stattfinden, daraus entstehen Sekundärteilchen, 00:13:12.936 --> 00:13:19.140 sehr viele, hunderte, tausende, und idealerweise wollen wir alle diese Teilchen 00:13:19.140 --> 00:13:23.163 messen und ein Maximum der Eigenschaften jedes dieses Teilchens messen. 00:13:26.926 --> 00:13:32.689 Leider gibt es kein Detektor-Konzept, das alle Eigenschaften gleichzeitig messen kann. 00:13:34.211 --> 00:13:38.834 Mit Eigenschaften meine ich da zum Beispiel den Ursprungspunkt, 00:13:38.834 --> 00:13:42.416 weil es gibt natürlich Teilchen, die direkt aus dem Punkt kommen, 00:13:42.416 --> 00:13:45.859 an dem Protonen oder Atomkerne kollidiert sind. 00:13:46.400 --> 00:13:50.282 Aber es gibt dann auch Zwischenstufen. Es gibt kurzlebige Teilchen, 00:13:50.282 --> 00:13:55.126 die dort erzeugt werden, ein Stück weit fliegen, dann in weitere Teilchen zerfallen. 00:13:55.486 --> 00:13:59.949 Das heißt, wir wollen wissen, ob Teilchen vom ursprünglichen Kollisionspunkt 00:13:59.949 --> 00:14:03.952 kommen oder aus dem Zerfall eines kurzlebigen Teilchens kommen. 00:14:03.952 --> 00:14:05.713 Wir wollen die Richtung wissen. 00:14:06.114 --> 00:14:12.228 Wir wollen idealerweise die Art des Teilchens wissen, seine Masse und natürlich seine Energie. 00:14:14.300 --> 00:14:20.904 Und um das für alle wichtigen Teilchenarten zu erzielen, gibt es nur die Möglichkeit, 00:14:20.904 --> 00:14:25.587 dass man mehrere Detektorsysteme kombiniert, weil eben ein einzelnes System 00:14:25.587 --> 00:14:27.268 nicht alle diese Eigenschaften messen kann. 00:14:29.230 --> 00:14:39.416 Das heißt, ganz grob gesagt, teilt sich der Detektor in drei Zonen, je nach Teilchentyp. 00:14:39.877 --> 00:14:46.961 Im innersten Teil des Detektors versuchen wir die Flugbahn von geladenen Teilchen festzustellen. 00:14:49.304 --> 00:14:52.469 Also damit kann man eben auch den Produktionsort feststellen, 00:14:52.469 --> 00:14:56.948 die Richtung und wir können auch den Impuls feststellen. 00:14:58.310 --> 00:15:03.353 Das heißt im klassischen Fall ist Impuls einfach das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit. 00:15:04.934 --> 00:15:10.398 Im relativistischen Fall, unsere Teilchen, die dort erzeugt werden, 00:15:10.398 --> 00:15:13.040 sind alle normalerweise relativ nah an der Lichtgeschwindigkeit. 00:15:13.580 --> 00:15:16.822 Es ist etwas komplizierter, aber es gibt jedenfalls einen Zusammenhang zwischen 00:15:16.822 --> 00:15:19.945 Energie, diesem Impuls und der Masse eines Teilchens. 00:15:20.745 --> 00:15:26.609 Und das erzielen wir dadurch, dass wir eben ein starkes Magnetfeld im Großteil des Detektors haben. 00:15:27.330 --> 00:15:32.013 Und dieses Magnetfeld wird die geladene Teilchen auf Helixbahnen zwingen. 00:15:35.036 --> 00:15:38.559 Und aus der Krümmung dieser Helixbahnen kann man dann den Impuls berechnen. 00:15:39.520 --> 00:15:44.644 Die Idee ist, dass man in diesem Volumen die Teilchen möglichst wenig und unter 00:15:44.644 --> 00:15:45.825 Anführungszeichen stört. 00:15:46.226 --> 00:15:49.648 Das heißt, wir wollen diesen Teil des Detektors möglichst leicht bauen, 00:15:49.648 --> 00:15:57.214 damit die Teiche nicht mit Material kollidieren und sich in andere Teiche umwandeln. 00:15:58.090 --> 00:16:04.475 Und das ist sozusagen die erste Zone. Die zweite Zone wird verwendet, 00:16:04.475 --> 00:16:08.898 um die Energie der meisten Teilchen zu messen, indem man sie de facto absorbiert. 00:16:09.979 --> 00:16:12.941 Das heißt, dort kehrt man das Prinzip sozusagen um. 00:16:14.022 --> 00:16:16.363 Man hat eine Zone mit sehr dichtendem Material. 00:16:19.226 --> 00:16:24.490 Und in dem dichten Material werden die einlaufenden Teilchen eine Wechselwirkung 00:16:24.490 --> 00:16:26.831 mit Atomkernen oder Elektronen machen. 00:16:27.352 --> 00:16:33.556 Das wird neue Teichen erzeugen und diese neuen Teichen können wiederum kollidieren 00:16:33.556 --> 00:16:36.678 und wiederum neue Teichen erzeugen. Das heißt, das ist ein Lawineneffekt. 00:16:37.279 --> 00:16:41.622 Das heißt, man hat eine Multiplikation der Teilchen, die dort in diesem Schauer 00:16:41.622 --> 00:16:45.525 entstehen und das geht so lange, bis die Energie der Teilchen, 00:16:45.525 --> 00:16:48.567 die durchschnittliche Energie der Teilchen so weit gesunken ist, 00:16:48.567 --> 00:16:51.750 dass sie keine neuen Teilchen mehr erzeugen können. 00:16:52.390 --> 00:16:58.475 Weil das ganze geschieht natürlich über die übliche Äquivalenz zwischen Energie und Masse. 00:16:58.915 --> 00:17:02.438 Das heißt, solange die einlaufenden Teilchen Energien haben, 00:17:02.438 --> 00:17:06.441 die über der Masse anderer Teilchen liegen, können sie neue Teilchen überzeugen. 00:17:06.762 --> 00:17:10.184 Und das heißt, irgendwann einmal fällt die Energie und der Schauer wird beendet. 00:17:10.585 --> 00:17:13.967 Und aus der Größe des Schauers, aus der Zahl der Teilchen mit dem Schauer, 00:17:13.967 --> 00:17:16.489 können wir die Energie des einlaufenden Teilchens rückrechnen. 00:17:17.590 --> 00:17:20.882 Habe ich das gerade richtig verstanden? Also die eigentliche Kollision, 00:17:20.882 --> 00:17:24.455 klar die löst du jetzt erstmal aus, dann gibt es halt nachfolgende Prozesse, 00:17:24.455 --> 00:17:28.878 wo dann eben weitere Zerfallsprodukte entstehen, weil das einfach die Eigenschaft 00:17:28.878 --> 00:17:31.420 dieser Teilchen ist, dass sie nicht langlebig sind. 00:17:31.921 --> 00:17:36.264 Aber das System ist schon so aufgebaut, dass man dann ab einem bestimmten Zeitpunkt 00:17:36.264 --> 00:17:40.847 auch schon bewusst anderes Material bereit hält, einfach um dann noch weitere 00:17:40.847 --> 00:17:44.050 sekundäre Kollisionen geschehen zu lassen. 00:17:46.713 --> 00:17:50.196 Die sekundären Kollisionen in dieser zweiten Zone werden sozusagen absichtlich 00:17:50.196 --> 00:17:55.562 herbeigeführt, eben um die Energie dieses einlaufenden Teilchens messen zu können. 00:17:56.403 --> 00:17:59.686 Und diesen Bereich werden die allermeisten Teilchen nicht verlassen. 00:17:59.686 --> 00:18:03.270 Also vielleicht sollte man dann hier sprechen, ein bisschen über die Teilchenarten, 00:18:03.270 --> 00:18:07.014 die wir da messen können. Also wir haben im Wesentlichen... 00:18:08.060 --> 00:18:14.944 Das Standardmodell mit eigentlich vier Wechselwirkungen, aber die Gravitation, 00:18:14.944 --> 00:18:18.225 die Schwerkraft spielt hier bei den Experimenten de facto keine Rolle. 00:18:19.026 --> 00:18:22.710 Das heißt wir haben die elektromagnetische Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung, 00:18:22.710 --> 00:18:29.211 starke Wechselwirkung und wie sich Teilchen innerhalb eines Detektors verhalten, 00:18:29.211 --> 00:18:32.052 hängt davon ab, welchen dieser Wechselwirkungen sie unterliegen. 00:18:32.362 --> 00:18:36.935 Um es gleich nochmal klar zu machen für alle, die nicht ganz so in der Materie 00:18:36.935 --> 00:18:46.480 drinstecken, mit Wechselwirkung meinen wir jetzt im Prinzip die fundamentalen Kräfte der Natur. 00:18:47.121 --> 00:18:50.402 Schwerkraft kennen wir alle, leiden wir täglich drüber, aber wir würden es noch 00:18:50.402 --> 00:18:51.883 dürrer finden, wenn sie nicht da wäre. 00:18:54.785 --> 00:18:58.868 Also die starke Kernkraft und man sagt halt hier eher Wechselwirkung, 00:18:58.868 --> 00:19:03.351 weil das ist sozusagen das, was man in diesem Teilchensystem sieht oder was dort, 00:19:03.351 --> 00:19:08.434 was wir meinen oder glauben, wissen, was dort stattfindet, eine Interaktion 00:19:08.434 --> 00:19:12.617 zwischen diesen Teilchen und manche Teilchen sind halt mehr so dieses Ist und 00:19:12.617 --> 00:19:15.869 manche sind mehr so das Wird und diese Wirtsteilchen, das ist sozusagen diese 00:19:15.869 --> 00:19:17.100 Kräfte, von denen wir sprechen. 00:19:17.801 --> 00:19:22.524 Starke Kernkraft ist halt das, was im Kern, im wahrsten Sinne des Wortes, 00:19:22.524 --> 00:19:27.227 die Kerne auch zusammenhält, also dafür sorgt, dass nicht alles auseinander fliegt. 00:19:27.227 --> 00:19:31.090 Die schwache Kernkraft kennt man halt so ein bisschen auch unter dem Aspekt 00:19:31.090 --> 00:19:34.313 der Radioaktivität, dass man sozusagen auch in der Lage ist, 00:19:34.313 --> 00:19:39.417 Obwohl schwach in irgendeiner Form das Ganze auch immer mal wieder sich auflösen 00:19:39.417 --> 00:19:41.838 zu lassen. Finde ich auch einen schönen Regulationsmechanismus. 00:19:43.240 --> 00:19:46.673 Es bleibt halt nicht alles so wie es ist, sondern mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit 00:19:46.673 --> 00:19:50.967 fliegt der ganze Kram dann einfach so aus sich heraus, mehr oder weniger, auseinander. 00:19:52.750 --> 00:20:00.175 Und dann halt noch der gesamte Elektromagnetismus, den wir alle toll finden, 00:20:00.175 --> 00:20:01.817 jeder hat schon mal in die Steckdose gefasst. 00:20:04.559 --> 00:20:07.881 Und das hält ja auch irgendwie alles zusammen, das heißt gerade die schwache 00:20:07.881 --> 00:20:09.822 und die starke Kernkraft, 00:20:09.822 --> 00:20:12.965 würde ich sagen, das ist hier so der Hauptfokus, während die elektromagnetische 00:20:12.965 --> 00:20:16.227 Kraft eigentlich eher so ein bisschen der nützliche Idiot ist, 00:20:16.227 --> 00:20:19.870 um das genauer anzuschauen oder gibt's Tatsachen? 00:20:21.011 --> 00:20:27.515 Nicht ganz, weil de facto war ja etwas, was man in den 80er Jahren eigentlich 00:20:27.515 --> 00:20:32.959 bewiesen hat, ist, dass die elektromagnetische Kraft und die schwache Kraft 00:20:32.959 --> 00:20:35.501 eigentlich nur zwei Seiten derselben Metalle sind. 00:20:36.042 --> 00:20:41.766 Und dass wir sie nur so unterschiedlich sehen, weil wir hier normalerweise bei 00:20:41.766 --> 00:20:47.030 sehr niedrigen Energien arbeiten, Aber wenn man sich Kollisionen bei sehr hoher Energie ansieht, 00:20:47.430 --> 00:20:53.234 dann sieht man, dass das eigentlich dasselbe Phänomen ist, nur in zwei Arten. 00:20:55.276 --> 00:20:59.458 Ja, und um auf den Detektor zurückzukommen. Es gibt eben Detektorteile, 00:20:59.458 --> 00:21:05.082 die sind spezialisiert auf Teilchen, die hauptsächlich elektromagnetisch wechselwirken, 00:21:05.082 --> 00:21:12.291 also geladene Teilchen oder Photonen, Lichtteilchen, die de facto diese elektromagnetische 00:21:12.291 --> 00:21:16.529 Wechselwirkung vermitteln, diese elektromagnetischen Kräfte vermitteln. 00:21:17.350 --> 00:21:22.914 Und dann gibt es Hadronen, das heißt Teilchen, die auch der starken Wechselwirkung unterliegen. 00:21:25.377 --> 00:21:30.660 Und die manifestieren sich eben anders und die zum Beispiel im Detektor erzeugen, 00:21:30.660 --> 00:21:35.964 diese Schauer werden länger sein und das heißt man hat einen speziellen Teil 00:21:35.964 --> 00:21:37.765 des Detektors für diese Art Teilchen. 00:21:38.826 --> 00:21:41.948 Hadronen muss man nochmal dazu sagen, das ist das, was den Atomkern im Wesentlichen 00:21:41.948 --> 00:21:43.970 ausmacht, also was Protonen und Neutronen formt. 00:21:45.832 --> 00:21:49.794 Protonen und Neutronen sind Hadronen, aber es gibt einen ganzen Zuf von Teilchen. 00:21:50.395 --> 00:21:54.648 Nur so zur Einordnung. Hadronen ist der allgemeine Begriff für das, 00:21:54.648 --> 00:21:56.939 was unter anderem Protonen und Neutronen formt. 00:21:57.820 --> 00:22:02.504 Genau. Und dann nach dieser zweiten Zone bleibt eigentlich nicht mehr sehr viel übrig. 00:22:03.505 --> 00:22:07.908 Dort sind eben die meisten Teilchen sozusagen stecken geblieben und es bleiben 00:22:07.908 --> 00:22:08.929 eigentlich nur mehr Teilchen über, 00:22:08.929 --> 00:22:16.875 die eben in der Lage sind, sehr große Dichten von Stärken von Material zu durchdringen 00:22:16.875 --> 00:22:20.317 und das sind einerseits die Myonen. 00:22:21.338 --> 00:22:26.322 Also die Myonen, das ist ein Schwester oder Bruder des Elektrons. 00:22:27.223 --> 00:22:30.425 Das heißt im Wesentlichen haben sie alle Eigenschaften, 00:22:30.425 --> 00:22:33.367 die auch Elektron hat, das sehr bekannte Elektron hat, 00:22:33.367 --> 00:22:38.773 aber sie sind wesentlich schwerer und das führt dazu, dass sie eben wesentlich 00:22:38.773 --> 00:22:44.945 leichter durch Material durchdringen können und der beste Beweis dafür Dafür 00:22:44.945 --> 00:22:45.626 ist die Höhenstrahlung. 00:22:47.458 --> 00:22:54.043 Das sind also Myonen, die bei Kollisionen, so wie diese Lawinenartigen Schauer, 00:22:54.043 --> 00:22:56.985 die ich beschrieben habe, die entstehen natürlich nicht nur im Detektor, 00:22:56.985 --> 00:23:00.828 sondern können auch in der Atmosphäre entstehen, wenn hochenergetische Teilchen 00:23:00.828 --> 00:23:02.249 aus dem Weltraum eindringen. 00:23:02.929 --> 00:23:07.533 Und die Myonen, die dabei entstehen, können bis zur Erdoberfläche laufen und 00:23:07.533 --> 00:23:11.355 de facto sogar unter die Erdoberfläche, weil unsere Detektoren hier am LHC, 00:23:11.355 --> 00:23:16.799 die so etwa 100 Meter unter der Erde liegen, sehen noch immer Myonen aus der Höhenstrahlung. 00:23:19.322 --> 00:23:24.245 Und diese Myonen können eben die meisten Detektorschichten durchlaufen und die 00:23:24.245 --> 00:23:29.188 werden dann in der letzten Zone, im äußersten Teil des Detektors gesehen. 00:23:31.030 --> 00:23:35.753 Das ist sehr praktisch, weil dadurch können wir sie sehr leicht identifizieren. 00:23:36.934 --> 00:23:42.178 Wie gesagt, wir würden auch gerne wissen, um welches Teilchen es sich in jedem Fall handelt. 00:23:42.678 --> 00:23:48.022 Und die Teilchen, die wir in dieser äußersten Zone sehen, sind praktisch ausschließlich Myonen. 00:23:49.463 --> 00:23:51.124 Und da steckt ja auch ein Name mit drin. 00:23:51.124 --> 00:23:57.528 Genau. Die Myonen, die erlauben, wir können Myonen sehr präzise messen. 00:23:58.379 --> 00:24:02.332 Sie sind also ein sehr wichtiges Instrument, um zu verstehen, 00:24:02.332 --> 00:24:03.873 was in einer Kollision passiert. 00:24:06.655 --> 00:24:10.378 Und gleichzeitig werden wir die Kollisionen, die hier im Beschleuniger entstehen, 00:24:10.378 --> 00:24:12.619 laufen hauptsächlich über die starke Wechselwirkung. 00:24:14.841 --> 00:24:19.684 Was in der Kollision passiert, ist im Wesentlichen eine Auswirkung der starken Wechselwirkung. 00:24:21.586 --> 00:24:25.748 Und dabei werden sehr wenige Elektronen, Myonen oder ähnliche Teilchen erzeugt. 00:24:26.249 --> 00:24:30.592 Das heißt, es ist auch einfach, diese Myonen zu detektieren, 00:24:30.592 --> 00:24:34.735 weil neben den hunderten Teilchen, die da entstehen können bei jeder Kollision, 00:24:34.735 --> 00:24:38.898 gibt es jeweils nur höchstens einige wenige Myonen geben. 00:24:39.078 --> 00:24:43.261 Und deswegen ist die Detektion einfacher und deswegen ist das Experiment auch 00:24:43.261 --> 00:24:47.063 sehr stark darauf ausgelegt worden, dass man Myonen messen kann, 00:24:47.063 --> 00:24:52.267 die zum Beispiel auch wichtig sind, um das berühmte X-Person zu messen und zu finden. 00:24:53.268 --> 00:24:58.421 Vielleicht mal so als Nebeneinschub, wenn man das jetzt mal mit so der Kernspaltung 00:24:58.421 --> 00:25:02.494 im Atomkraftwerk vergleicht, wenn man jetzt hier Atomkerne aufeinander ballert 00:25:02.494 --> 00:25:06.397 und die in ihre tausend Teilchen zerschießen, dann ist das ja im Prinzip auch eine Kernspaltung. 00:25:09.120 --> 00:25:12.845 Nicht ganz. Also was man wirklich verstehen sollte ist, dass bei den Energien 00:25:12.845 --> 00:25:17.811 mit denen wir hier arbeiten, diese Energien liegen viele Größenordnungen über 00:25:17.811 --> 00:25:21.216 den Energien, die typischerweise in einem Atomkern auftreten. 00:25:22.684 --> 00:25:29.440 Und bei diesen Energien, wenn zum Beispiel zwei Protonen aufeinandertreffen, 00:25:29.440 --> 00:25:35.935 findet die Kollision nicht zwischen den Protonen als Protonobjekt 1 und Protonobjekt 00:25:35.935 --> 00:25:40.278 2 statt, sondern die Kollision findet statt zwischen Bestandteilen der Protonen. 00:25:41.359 --> 00:25:47.024 Also in den Protonen und Neutronen haben wir Quarks, was wir Up- und Down-Quarks nennen. 00:25:47.584 --> 00:25:54.489 Das sind also etwas seltsame Teilchen, weil sie nicht frei in der Natur vorkommen. 00:25:57.231 --> 00:26:00.173 Diese Bestandteile sind immer eingeschlossen in die berühmten Hadronen. 00:26:00.493 --> 00:26:04.435 Also Hadronen enthalten immer… Also sie kommen in der Natur vor, aber nicht einzeln. 00:26:05.817 --> 00:26:08.038 Genau, sie kommen nicht frei in der Natur vor. 00:26:10.520 --> 00:26:15.483 Und die Hypothese dieser Quarks hat erlaubt eben eine Ordnung in diesem Zoo 00:26:15.483 --> 00:26:22.528 zu bringen, man dadurch die Teilchen klassifizieren konnte, je nachdem welche Quarks sie enthalten. 00:26:22.969 --> 00:26:27.211 Und de facto, wenn zwei Protonen hier im LHC zusammenstoßen, 00:26:27.211 --> 00:26:30.634 ist die Kollision, die uns interessiert, 00:26:30.634 --> 00:26:35.077 ist die Kollision entweder zwischen einem Quark aus dem einen Proton und einem 00:26:35.077 --> 00:26:37.879 Quark aus dem anderen Proton oder aber, 00:26:37.879 --> 00:26:44.163 was hier sehr oft passiert, das Proton ist ein komplexes Objekt. 00:26:44.163 --> 00:26:46.164 Also im Prinzip, man lernt in der Schule. 00:26:47.466 --> 00:26:53.769 Das Proton besteht aus drei Quarks, aber in Wirklichkeit ist mehr Leben in diesem Proton. 00:26:54.350 --> 00:26:56.771 Und vor allem gibt es da Gluronan. 00:26:57.372 --> 00:27:02.288 Das Gluronan ist das Äquivalent des Photons, des Lichtteilchens für die elektromagnetische 00:27:02.288 --> 00:27:05.737 Wechselwirkung, da in diesem Fall für die starke Wechselwirkung. 00:27:05.737 --> 00:27:09.420 Das heißt, das sind die Teilchen, die die starke Wechselwirkung übertragen zwischen 00:27:09.420 --> 00:27:10.661 zwei Quarks zum Beispiel. 00:27:11.001 --> 00:27:16.206 Und das Proton ist de facto voll von diesen Glurnan, die die Quarks de facto 00:27:16.206 --> 00:27:17.048 im Proton zusammenhalten. 00:27:17.510 --> 00:27:20.902 Und das heißt, wir können auch Kollisionen zwischen diesen Q-Unern haben, 00:27:20.902 --> 00:27:22.508 wenn die zwei Protonen sich treffen. 00:27:23.593 --> 00:27:27.476 Das heißt der Unterschied ist, weil ich mich gefragt habe, 00:27:27.476 --> 00:27:35.182 wenn so viel kollidiert und man das vergleichen kann, so Kernkraftwechsel ist 00:27:35.182 --> 00:27:38.784 halt sehr viel Radioaktivität frei, inwiefern ist dann diese Kollision anders? 00:27:40.166 --> 00:27:45.470 Geschieht das dort auch oder ist das eben weil die Energie so hoch ist, 00:27:45.470 --> 00:27:48.332 dass alles so dermaßen zertrümmert wird, dass sich das komplett anders verhält? 00:27:48.693 --> 00:27:54.607 Ja, wie gesagt, die Energien sind so hoch, dass de facto ein zerfallenes Atomkern, 00:27:54.607 --> 00:27:58.540 ein zerfallenes und komplexes Objekt, das aus vielen Protonen und Neutronen 00:27:58.540 --> 00:28:05.386 besteht, und der wird sich de facto in zwei Teile spalten, weil energetisch 00:28:05.386 --> 00:28:08.168 der Ausgangszustand günstiger ist. 00:28:10.911 --> 00:28:14.874 Aber das spielt sich typischerweise bei Energien. Die Energien, 00:28:14.874 --> 00:28:19.417 die in diese Prozesse involviert sind, sind typischerweise in der Million-Elektron-Volt-Gegend. 00:28:22.079 --> 00:28:29.644 Um das zu vergleichen, ist die circa tausendmal höher als typische Röntgenstrahlung, 00:28:29.644 --> 00:28:32.526 wenn man einen Vergleich haben will. 00:28:32.907 --> 00:28:38.991 Und wir reden hier über Giga-Elektron-Volt, also Milliarde-Elektron-Volt oder 00:28:38.991 --> 00:28:40.853 noch einen Faktor tausend drüber. 00:28:41.153 --> 00:28:44.555 Das heißt, wie gesagt, bei diesen Prozessen, das ist keine Spaltung, 00:28:44.555 --> 00:28:47.397 weil wir hier wirklich mit Elementarteilchen arbeiten. 00:28:47.397 --> 00:28:48.377 Das ist eine Zerschmetterung. 00:28:49.759 --> 00:28:54.301 Es ist eine Umwandlung. Es ist eine Umwandlung, weil Zerschmetterung würde voraussetzen, 00:28:54.301 --> 00:28:56.963 dass das Teilchen aus Bestandteilen besteht. 00:28:58.204 --> 00:29:02.266 Während das wir hier mit, was uns interessiert, sind die Elementarteilchen. 00:29:02.987 --> 00:29:06.629 Das heißt Teilchen, von denen wir keine innere Struktur kennen, 00:29:06.629 --> 00:29:10.572 von denen wir glauben, dass sie wirklich elementar sind. 00:29:11.693 --> 00:29:15.775 Die niedrigsten Elemente, Bestandteile der Materie darstellen. 00:29:15.775 --> 00:29:20.919 Das heißt, man kann es zerschmettern, ist das vielleicht ein schlechter Ausdruck, 00:29:20.919 --> 00:29:24.881 weil sie keine Bestandteile haben. Und was passiert, ist eine Umwandlung. 00:29:26.718 --> 00:29:30.751 Ja ich meinte nicht die Teilchen werden zerschmettert, da habe ich mich vielleicht falsch ausgerückt, 00:29:30.751 --> 00:29:36.124 sondern die Struktur wird zerschmettert, also in dem Moment wo diese Bindung von den Quarks, 00:29:36.124 --> 00:29:42.138 Glonen und so weiter alles komplett aufgelöst wird in seine wirklichen elementaren 00:29:42.138 --> 00:29:48.212 Teilchen, dann ist sozusagen die komplette Struktur dessen was kollidiert ist 00:29:48.212 --> 00:29:49.553 sozusagen vollständig aufgelöst. 00:29:50.093 --> 00:29:53.316 Ja, es stimmt natürlich, das was zerschmettert wird, ist das Proton, d.h. 00:29:53.856 --> 00:29:59.560 Zwei Bestandteile, ein Bestandteil aus jedem Proton kollidiert und macht eine 00:29:59.560 --> 00:30:03.022 Wechselwirkung, erzeugt neue Teilchen, das ist der Prozess, der uns interessiert. 00:30:04.323 --> 00:30:10.007 Aber das Proton, wenn das passiert, wird das Proton de facto zerstört, 00:30:10.007 --> 00:30:13.856 weil das Proton aus drei Quarks besteht und wenn man da Bestandteile herausschlägt, 00:30:13.856 --> 00:30:16.091 gibt es kein Proton mehr, d.h. 00:30:16.512 --> 00:30:20.094 Der Rest des Protons wird sich auch in neue Teilchen umwandeln. 00:30:21.575 --> 00:30:27.318 Das ist aber ein für uns eher ein störender Untergrund als das was uns wirklich interessieren. 00:30:28.383 --> 00:30:31.365 Ja der Rest des Protons wird sich auch in neue Teilchen. 00:30:32.686 --> 00:30:34.847 Aber Radioaktivität in dem Sinne wird da nicht frei? 00:30:34.847 --> 00:30:40.270 Nein, Radioaktivität ist ja der spontane Zerfall eines Atomkerns de facto. 00:30:41.031 --> 00:30:46.794 Und während wir hier eine induzierte Kollision zwischen zwei Teilchen, 00:30:46.794 --> 00:30:51.376 die also größtenteils unter der Größe eines Atomkerns liegen. 00:30:51.877 --> 00:30:55.018 Ja man muss ja auch über gefühlte Gefahren reden. 00:30:55.799 --> 00:31:00.461 Wir hatten ja schon in der Ausgangsdiskussion die Diskussion um schwarze Löcher, 00:31:00.461 --> 00:31:03.483 die hier erzeugt werden, da ist ja ein Weltuntergang drohen. 00:31:03.883 --> 00:31:08.767 De facto ist natürlich die Teilchen, die aus der Kollision hinauslaufen, 00:31:08.767 --> 00:31:10.948 sind natürlich Strahlung. 00:31:11.288 --> 00:31:17.783 Das heißt das könnte ionisierende Strahlung und deswegen ist auch die Detektorzone 00:31:17.783 --> 00:31:19.714 während wir operieren abgeschlossen. 00:31:21.515 --> 00:31:27.939 Bevor wir vielleicht gleich mal so den eigentlichen Messvorgang selber aus der 00:31:27.939 --> 00:31:33.783 Perspektive eines Teilchens dann oder eines Protons erstmal beobachten, 00:31:33.783 --> 00:31:38.406 würde ich ganz gerne nochmal von außen nach innen gehen. 00:31:38.867 --> 00:31:41.608 Also haben wir ja schon gesagt, es ist ein relativ großes System. 00:31:45.071 --> 00:31:46.332 Was war das? 15 Meter ungefähr? 00:31:49.935 --> 00:31:53.287 Super schwer, sehr viel Material und vor allem ist es halt ein, 00:31:53.287 --> 00:31:58.117