Okay, ich würde sagen, es ist schon nach Viertel nach.
Herzlich willkommen hier bei der Ringvorlesung oder bei der Mediathek zum Thema
, wie baue ich eine 130-Megapixel-Kamera?
Ich versuche ihn in den nächsten eineinhalb Stunden so ein bisschen zu erklären,
wie man einen Teilchen-Detektor baut und insbesondere,
wie man einen Spurdetektor baut, einen kleinen Pixel-Detektor.
Und bevor ich damit anfange,
möchte ich ihn erst nochmal so ein bisschen motivieren,
was machen wir eigentlich so in der Teichnungswege?
Ich bin hier Teilchenphysiker und deswegen ist es Ehrensache,
dass ich ihn erstmal noch ein bisschen erkläre,
was man eigentlich als Teilchenphysiker so tut.
Und hier auf dieser Folie sehen Sie Teilchenphysik in einer Nussschale.
Und das sind eine persönliche Auswahl von Fragen,
die wir versuchen, in der Teilchenphysik zu beantworten.
Und die Fragen, die sind,
wenn Sie die aktuell mal durchlesen, scheinbar ziemlich trivial.
Also hier zum Beispiel eine Frage, der wir nachgehen,
ist, gibt es elementare Bausteine der Materie?
Also gibt es kleinste Bausteine,
die man zusammennehmen kann und daraus dann alles bauen kann,
was wir hier um uns herum beobachten?
Also die ganze Welt,
die wir so sehen und kennen,
das ist ein Thema der Teilchenphysik
Ein anderes Thema, der Teilchenphysik ist, woher kommt eigentlich die Materie im Universum?
Das klingt jetzt auch erstmal relativ trivial, aber wenn man der Urknalltheorie folgt,
dann ist aus dem Nichts Materie und Anti-Materie entstanden.
Und wenn aus dem Nichts irgendwas entstanden ist,
dann wird man erwarten, es ist aus zu gleichen Teilen entstanden,
Materie und Anti-Materie zum gleichen Teil.
Dann muss man aber auch, wenn man weiterdenkt,
die Frage stellen, warum ist jetzt noch Materie übrig?
Weil wenn irgendwann genauso viel Materie, Antimaterien entstanden ist,
warum ist am Ende des Tages so viel Materie übrig,
dass sich Planeten formen können,
dass sich
Galaxien formen können
Leute, die behaupten, naja,
vielleicht ist ja irgendwo im Universum die ganze Anti-Materie und irgendwann
im anderen Teil des Universums ist die ganze Materie.
Aber da können wir Kosmonologen fragen und die gucken mit ihren großen Teleskopen in den Sternenhimmel.
Und die sagen uns ganz klar, nirgendwo,
wo die hingucken, sehen sie hier irgendwo eine Anhäufung von Anti-Materie.
Also wir wissen ganz klar, es gibt in unserem Universum einen Überschuss an Materie.
Herr Burgknall ist ein bisschen mehr Materie entstanden als Anti-Materie und
keiner weiß eigentlich, woher das kommt.
Also auch eine sehr, sehr fundamentale Frage. Eine nächste Frage,
die auch erstmal total einfach klingt, ist, was ist Masse?
Jeder weiß, was Masse ist. Die meisten haben Probleme mit
der Masse. Aber Das ist was, was ganz Alltägliches ist.
Also sie können was wiegen, sie können sagen,
ich nehme ein Kilogramm Mehl oder was auch immer.
Wenn sie das aber theoretisch versuchen zu beschreiben, dann ist das gar nicht so einfach.
Und da haben wir dann durchaus Probleme, das konsistent in unsere Theorie einzubetten. Und er ist ganz,
ganz, ganz kürzlich, 2012 hat man das letzte Puzzleteil entdeckt,
das erklären kann, wie Masse in das Standardmodell,
also unsere große Theorie, die alles versucht zu beschreiben,
eingebettet werden kann,
ohne dass wir die Theorie kaputt machen.
Und das war lange Zeit nicht möglich,
also auch relativ trivial,
aber doch eigentlich nicht
Die letzte Frage, die ich mir rausgesucht habe, ist, was sind Kräfte?
Kräfte ist auch erstmal jetzt was, womit man täglich hantiert.
Aber wir müssen uns auch theoretisch fragen, wie wissen Teilchen voneinander?
Wie wissen die, dass die sich abstoßen müssen?
Wie wissen die, dass sie sich anziehen müssen?
Und diese Frage ist auch eine Frage, die wir nicht
als alte Physik klären. Und all diese Fragen,
die können wir jetzt uns natürlich ein sehr abgenutztes Zitat,
aber es passt trotzdem sehr gut.
Können wir zusammenfassen mit diesem einen Satz von Goethes Faust,
dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält.
Das ist genau die Fragestellung, die wir uns als Teilchenphysikerinnen
und Teilchenphysiker stellen. Wir wollen genau verstehen,
was die Welt im Innersten Zusammenhalt um so gesehen,
war Goethes Faust eigentlich auch ein Teilchenphysiker,
weil genau diese Frage hat er
auch gestellt
Okay, ich dachte schon, wir haben ganz viele ganz triviale Fragen.
Und wir haben aber nicht so ganz triviale Antworten darauf.
Wir können eine schöne Theorie formulieren und diese schöne Theorie,
die passt sogar auf ein T-Shirt.
Hier sind sie einen sehr berühmten, theoretischen Teilchenphysiker von Zernen.
Das ist John Ellis. Und was sie hier auf
seinem T-Shirt sehen, beschreibt im Prinzip genau die Welt,
wie sie so uns um uns herum erleben.
Das ist allerdings eine Kurzschreibweise. Und wenn man diese Kurzschreibweise einmal ausschreibt,
dann wird das Ganze nicht mehr ganz so trivial,
damit es ein bisschen länglich.
Aber man kann alles schön zusammenfassen und man kann die Welt
sehr gut beschreiben
Wie Sie es sehen, die beschreibt das Standardmodell der Teilchenphysik.
Und das Standardmodell der Teilchenphysik ist meiner Meinung nach das
beste Modell, das wir momentan auf dem Markt haben.
Es kann wahnsinnig viele Effekte, wie alles, was wir beobachten, erklären.
Und das sind alles in einer mehr oder weniger,
also für uns als Physikerinnen und Physiker, würden wir sagen,
ästhetischen Art und Weise, ob sie mir das abnehmen,
das ist ihre Sache jetzt.
Ja, was ist das Standardmodell der Teilchenphysikerin? Diese Folie
habe ich das einmal zusammengefasst und wir beginnen einfach mal mit
einem Stück Materie und begeben uns in diese Materie herein.
Wir zoomen jetzt immer weiter rein. Hier haben wir ein Stück Festkörper,
wenn wir da genau reingucken, dann sehen wir,
dass der Festkörper aus zusammen einer Anhäufung von Atomen,
die hier in einem Gitter angeordnet sind, besteht,
wenn wir uns jetzt hier einzelne Atom angucken,
dann sehen wir einen Atom, das besteht aus einem Atomkern,
das wissen Sie, und außenrum kreisen Elektronen in einer Hülle.
Das Elektron in der Hülle nach unserem aktuellen Verständnis ist das Elektron in der Hülle,
ein bereits ein elementares Zeichen, also hat keine weitere Unterstruktur,
der Atomkern selber, der hat allerdings noch eine weitere Unterstruktur,
das können wir noch weiter untersuchen,
wenn wir uns den Atomkern genau angucken,
dann sehen wir dass der Atomkern aus weiteren Komponenten besteht,
das sind einmal die Neutronen, das sind diese roten Bälle hier und die Protone, das sind die blauen Bälle hier.
Jetzt könnte man hoffen,
dass das vielleicht schon das Ende ist der Geschichte,
das ist es aber noch nicht,
das Ganze geht noch weiter, wir können nicht noch weitergucken,
ob die Protonen und die Neutronen weiterhin eine Unterstruktur haben und das haben sie,
die Broton selber, die sind zusammengesetzt aus den sogenannten Quarks und zwar drei an der Zahl.
Es gibt zwei Typen von Quarks, die Uptype Corks und
die Downtype Corks und wenn wir zwei Uptype Corks und einen Downtype Cork zusammennehmen,
Was dann da rauskommt, ist ein Proton.
Wenn dir zwei Downtipe-Qualks und einen Uptite-Qualk nehmen, dann kommt da Erneuterung raus.
Und aus dem Ganzen kann man dann wieder Atomkerne-Atomen im Materie und so weiter bauen.
Das Quark selber ist nach unserem bisherigen Verständnis auch wieder ein elementares Teilchen.
Ja, so, dann haben wir hier einmal die Zusammenfassung von den Teilchen.
Bisher hatte ich nur über diese Spalti geredet.
Und bevor ich jetzt hier durch diese ganze Tabelle durchgehe,
möchte ich Ihnen so ein bisschen die Struktur erklären,
wir haben hier einmal zwei Bereiche, das ist einmal,
das sind die Materieteilchen und die Kraftteilchen, über die Kraftteilchen,
die wir gleich reden.
Und die Materieteilchen selber, die sind nochmal unterteilt in zwei Bereiche,
das sind die Quarks und die sogenannten Laptone. Die Quarks,
das hatten wir schon gerade besprochen, die Quarks,
da haben wir zum Beispiel hier dieses Upcork und das Downcork,
die braucht man, um sogenannte Haterone zu bauen.
Den Begriff merken Sie sich mal, den braucht man nämlich später nochmal.
Die Laptonen, die kommen auch in Paaren vor und
ein Lapton ist zum Beispiel das Elektron und das Partnerteilchen zu
dem Elektron in dem lätonischen Bereich ist das Elektroneutrino.
Ja, und das sind diese vier Teilchen,
mit denen können wir eigentlich alles beschreiben, was sich so in unserer Umgebung findet.
Jedes Stück Holz, jedes Stück Plastik, alles,
woraus sie Häuser, Brücken, was auch immer bauen,
wird aus diesen mit diesen vier Teilchen beschrieben.
Jetzt hat man angefangen mit der Teilchenphysik und hat festgestellt,
es gibt nicht nur eine Generation von diesen Teilchen,
sondern es gibt sozusagen Kopien von diesen Teilchen,
die sind von den Eigenschaften komplett identisch.
Der einzige Unterschied ist, dass die Teilchen schwerer sind.
Und das nennen wir dann eine höhere Generation,
das ist ja die erste Generation von Materieteilchen.
Dann haben wir hier die zweite Generation von Materieteilchen.
Und hier haben wir die dritte Generation von Materieteilchen. Aber nochmal,
die Eigenschaften von diesen Teilchen sind komplett identisch,
der einzige Unterschied ist die Masse der Teilchen,
die wird einfach höher, je höher,
je höher die Generation,
desto höher die Masse der Teilchen
Ein Teilchen, das wir später noch brauchen werden,
das ist das Myon, das können sie sich auch mal merken,
das Myon ist das Geschwisterteilchen, eine schwerere Geschwisterteilchen zum Elektron.
So, jetzt habe ich über die Materieteilchen geredet,
ich hatte ihn versprochen, ich rede auch noch kurz über die Kraftteilchen,
die Kraftteilchen sind ein sehr erfolgreiches Modell,
wie man Wechselwirkung zwischen Materieteilchen beschreiben kann.
Und hier sind sie insgesamt vier Kraftteilchen aufgeführt und jedes und
diesen Teilchen entspricht einer gewissen Wechselwirkung.
Und die Wechselwirkung, die sie wahrscheinlich alle kennen,
das ist die elektromagnetische Wechselwirkung und das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung
ist das Boot
Tun. Das heißt, wenn zwei Teilchen geladen sind,
dass ich aber ein positiv geladenes Teilchen und ein negativ geladenes Teilchen,
wie wissen diese positiv und negativ geladenen Teilchen,
dass sie sich anziehen müssen?
Das wissen sie dadurch, dass sie permanent Photonen austauschen.
Und diese Photonen teilen den Materieteilchen mit,
sie müssen sich anziehen, wenn die Teilchen gleichgeladen werden,
dann würden die Photonen mitteilen, dass sie sich abstoßen müssen.
Also Photon ist das Austauste, Austauschteilchen der elektromagnetischen Kraft.
Dann haben wir eine weitere Kraft,
die wird vermittelt durch das sogenannte Gloren.
Sloon ist ein, das kommt aus dem Englischen und Glue
heißt Kleben.
Das ist sozusagen das Klebeteilchen
Was macht dieses Teilchen? Davon haben sie wahrscheinlich noch nicht
so viel gehört, aber es vermittelt die starke Kraft,
die starke Kraft, die ist auch bekannt unter der Kernkraft.
Wir müssen nämlich irgendeine Kraft finden, die Kerne zusammenhält.
Kerne bestehen aus Protonen und Neutronen, Neutronen sind neutral, Protonen sind geladen.
Wenn ich jetzt gleichgeladene Teilchen auf engem Raum zusammendrücke,
können Sie sich vorstellen, gleichgeladene Teilchen stoßen sich eigentlich elektrostatisch ab.
Das heißt, eigentlich müsste ein Atomkern instabil sein.
Und das wäre ein großes Problem für uns alle,
weil dann könnten wir keine stabilen Atome bauen.
Und das wäre natürlich ziemlich schlecht. Aber zum Glück gibt es das Blumen,
das Blumen ist die starke Kraft, die starke Kraft,
deswegen, weil sie einfach so viel stärker ist als die elektromagnetische Kraft.
Und das sorgt dafür, dass Blumen, dass die dass
die gleichgeladenen Teilchen immer tun kann, trotzdem zusammenkleben und trotzdem zusammenbleiben.
Und dann haben wir hier noch zwei weitere Teilchen,
das Z und B-Bo-Sohn. Da war man ja nicht mehr
so ganz kreativ bei der Namensgebung. Diese Teilchen, die braucht man,
um Effekte des radioaktiven Zerfalls oder der Kernfusion zum Beispiel zu verstehen.
Also alles, was in der Sonne passiert oder alles,
was in einem Kleinkraftwerk passiert, funktioniert durch den Austausch von solchen Kraftteilchen.
Ja, und dann sehen Sie ja noch ganz oben rechts
in der Ecke, gibt es noch ein letztes Teilchen.
Dieses letzte Teilchen, das ist, wie gesagt, relativ neu.
Das gibt es erst seit 2012 experimentell nachgewiesen.
Das ist sogenannte Hixposon und die Sixposon braucht man dafür,
die all diesen Teilchen im Standardmodell eine Masse zu geben.
Weil ich hatte vorhin schon gesagt,
Masse in unsere Theorie einzuführen, ist nicht so leicht,
wie man sich das eigentlich vorstellen würde.
Und mit dem HIX-Mechanismus schafft man das, in einer sehr eleganten,
auf eine sehr elegante Art und Weise.
Und damit dann komplettiert, dass 6 Personen unser Standardmodell.
Okay, jetzt können Sie uns, könnten Sie fragen,
ja, das klingt ja alles ganz gut.
Warum hören wir da nicht eigentlich auf mit der Teilchenphysik?
Wir können ja eigentlich alles erklären. Und das ist aber
nicht das ganze Bild. Also das Standardmodell der Teilchenphysik ist
ein Riesenpuzzle
Schon ein großer Teil von diesem Puzzle ist, passt schon ganz gut zusammen,
aber da gibt es noch ein paar offene Ecken und Enden.
Und ich habe hier einfach mal diese verbleibenden Puzzleteile mal beschriftet mit großen Fragen,
die eben noch nicht vom Standardmodell erklärt werden können.
Und ein großer Themenkomplex, der nicht erklärt werden kann,
ist die dunkle Materie und die dunkle Energie. Wir wissen von den Kosmologen,
dass der Energieinhalt und der Materienhalt des Universums nicht vollständig beschrieben werden kann durch Detailchen,
die wir im Standardmodell kennen,
sondern nur zu 5 Prozent die restlichen 95 Prozent,
kennt man bisher noch nicht.
Und wenn man was nicht kennt, dann nennt man es
halt irgendwie und wir haben es die dunkle Materie und die dunkle Energie genannt.
Das ist ist wirklich eine der großen Fragen. Und wir wissen,
einer der ganz großen Hinweise darauf, dass hier wirklich noch irgendeine Ecke fehlt,
weil wir ganz sicher wissen, dass da noch was sein muss,
aber bisher noch keine Erklärung im Standardmodell dafür haben.
Eine zweite Frage, die offen ist, ist, es sind Neutrinomassen.
Wir wissen, aus experimentellen Beobachtungen, dass diese Neutrinos,
die Geschwisterteilchen zu den Elektronen, den Myonen und den Tauern,
dass die eine kleine, kitzekleine Masse haben.
Man dachte lange Zeit, vielleicht sind sie Masse los,
aber mittlerweile wissen wir, dass sie eine ganz,
ganz kleine Masse haben.
Aber wir wissen noch nicht, woher diese Masse eigentlich kommt.
Es gibt verschiedene Modelle, wie man das einführen kann.
Aber eine wirkliche exponentelle Überprüfung davon hat man
noch nicht
Eine weitere Frage ist, die Stabilität der HX-Master,
das ist HX-Person, von dem ich gerade schon geredet hatte,
dass man braucht, um Masse erklären zu können, generell im Standardmodell,
hat selber eine Masse und diese Masse ist ein freier Parameter,
der kann irgendwo liegen und warum dieser Wert genau dort liegt,
wo wir ihn jetzt gemessen haben,
das ist nicht wirklich klar und da braucht man auch,
muss man sich theoretisch auch ein bisschen verrenken,
um das gut motivieren zu können,
warum die HX-Masse genau dort liegt, wie sie jetzt,
wie wir sie jetzt gemessen haben und wenn man weitere Theorien dem Standardmodell hinzufügen würde,
dann könnte man die Position der aktuellen HX-Masse viel,
viel besser motivieren.
Deswegen haben wir da auch die Hoffnung, dass das vielleicht ein Hinweis darauf ist,
da noch Erklärungen, offene Erklärungen gibt. Und dann die letzte,
ist natürlich die letzte fundamentale Frage für uns Teilchen Physikerinnen und Physiker ist,
können wir alle Kräftevereinheitlichen, Physikerinnen und Physiker stehen,
stehen sehr drauf,
Kräfte und Symmetrien zu finden und Dinge zu vereinheitlichen und alles durch eine große globale Theorie zu beschreiben.
Und jetzt sind das sehr erfolgreich gewesen bisher.
Wir haben den Elektromagnetismus vereinheitlicht mit der schwachen Kraft.
Da ist die elektroschwache Kraft gekommen. Man kann noch die
starke Kraft theoretisch mitvereinigen. Was bisher noch nicht funktioniert hat,
ist die Gravitation noch mit an Bord zu holen
Wenn man das auch noch schaffen würde, dann hätte man
eine Theorie, die alles beschreiben könnte in einer wunderschönen Theorie.
Das ist unsere Wunschvorstellung. Aber davon sind wir noch ein bisschen entfernt.
Okay, jetzt habe ich ihn so ein bisschen motiviert,
warum wir Teilchenphysik überhaupt machen und was die spannenden Fragen sind.
Für den Rest des Vortrags wollen wir uns jetzt
ein bisschen darum kümmern, was sind eigentlich unsere Werkzeuge?
Womit können wir nach neuen Theorien suchen? Und neue Theorien,
das bedeutet für uns, wir suchen nach neuen Teilchen,
nach schweren Teilchen, die noch nicht bekannt sind.
Das ist quasi eine fast 1 zu 1 Entsprechung
Theoretikerfragen nach, und er kippt ihnen eine neue Theorie,
dann entspricht das dem Ganzen, dass da neue Teilchen,
neu schwere Teilchen vorhergesagt werden und die Experimentalphysiker suchen dann nach diesen neuen,
schweren Teilchen.
Um die jetzt zu untersuchen, brauchen wir im Prinzip
zwei Schritte. Der erste Schritt ist,
wir müssen diese neuen Teilchen erstmal erzeugen und im zweiten Schritt ist,
wir müssen diese neuen Teilchen dann auch nachweisen.
Aber jetzt kümmern wir uns erstmal um den ersten Schritt,
wie können wir diese neuen Teilchen erzeugen?
Und da können wir eine sehr,
sehr bekannte Formel bemühen, die sie wahrscheinlich alle kennen.
Das ist die Formel von Albert Einstein.
Energie ist gleich Masse,
mal Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat
So, was sagt diese Formel, die ist eigentlich relativ einfach?
Wie gesagt, dass man Energie und Masse ineinander umwandeln kann.
Das sind wie zwei verschiedene Währungen. Nur der Wechselkurs ist
ziemlich schlecht. Der Wechselkurs ist Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat.
Das ist eine sehr, sehr hohe Zahl.
Also es ist sehr aufwendig, Energie in Masse umzuordnen.
Nichtsdestotrotz können wir das machen. Und das machen wir auch
in der Teilchenphysik. Wir nehmen leichte, bekannte Teilchen,
wie zum Beispiel Protonen. Die können wir sehr leicht herstellen
. Und diese Protonen, die bringen wir auf eine
sehr hohe Energie
Schließen die aufeinander, lassen die kollidieren und bei dieser Kollision
wird diese hohe Energie in neue, schwere Teilchen umgewandelt,
also in Masse, die dann aber eine kleine Energie haben.
Und so können wir quasi diesem neuen, schweren Teilchen erzeugen. Wir brauchen jetzt ein Instrument,
was es schafft, wirklich diese Bruttonen,
auf diese extrem hohen Energien zu beschleunigen und dafür benutzen wir Teilchenbeschleuniger und der Teilchenbeschleuniger,
um den es heute gehen wird, das ist der LACs,
der Large Hudron Collider, der ist ein Teilchenbeschleuniger,
bei dem hat Drohne beschleunigt werden.
Sie erinnert sich vielleicht noch, was da drohen sind.
Drohen sind zusammengesetzte Teilchen aus Quarks.
Die meiste Zeit beschleunigen sich hier Bruttonen
Sind auch Hardronen, aber wir können ja auch andere Teilchen reinstecken,
wie zum Beispiel Xenon-Kerne, da werden sie nachher noch ein Bild von gesehen,
wie das ausschaut, wenn man zwei Xenon-Kerne aufeinander schießt.
Man kann aber auch Bleilohnen zum Beispiel reinstecken und dann Bleikern aufeinander schießen, sind auch Hardrohnen.
Aber bleiben wir jetzt erst mal bei den Protonen. Hier sehen Sie,
wie dieser LAC-Jährigen aussieht, der Beschleunigering,
es hat einen Umfang von 27 Kilometern,
also es ist ein richtig großer Beschleuniger,
der befindet sich in der Nähe von Genf am Zern und ist unterirdisch vergraben,
ist ein Tunnel,
der liegt 100 Meter unter der Erde und da drinnen werden die Protonen in zwei Richtungen beschleunigt,
in die eine Richtung,
in die andere Richtung und alle wohl definierten Punkten,
während die Strahlen zur Überlappung gebracht und dort kollidieren dann die Teilchen.
So, wie sieht es aus? Also so ein Teilchenbeschleuniger ist natürlich
nicht nur ein so ein großer Ring, sondern so ein Teilchenbeschleuniger,
der funktioniert im Prinzip wie eine Gangschaltung beim Auto.
Sie fahren auch nicht im ersten Gang auf die Autobahnen,
das macht kein Mensch, sondern wir haben hier verschiedene Vorbeschleunige.
Die Reise der Protonen beginnt hier. Hier haben wir einfach
eine Wasserstoffflasche und die Wasserstoffflasche, Wasserstoff deswegen,
weil Wasserstoff besteht aus einem Proton.
Das ist einfach ein neuer Kern, der besteht aus einem Proton,
mit allen Elektronen drumherum. Und das eine Elektronen,
das kommen wir relativ leicht unisieren, das bringen wir relativ leicht weg.
Und dann haben wir das Brot und übrig
Das wird hier einmal beschleunigt, dann haben wir hier einen Vorbeschleuniger,
da werden die Teilchen auf die erste,
in einer ersten Stufe, in der Energie erhöht,
wenn dann der Booster alle Energie in die Teilchen gesteckt ist,
die der Booster eben schafft, in die Teilchen zu stecken,
dann schicken wir die Teilchen in den nächsten Ring,
das ist der Proto und Synchotron, der PS,
da ist das gilt dasselbe, hier werden die Teilchen weiter beschleunigt,
bis sie dann die finale Energie erreicht hat,
die wir vom PS erwarten können,
dann schickt der Brot und Synchotron,
die Teilchen hier weiter in der nächstgrößeren Ring,
das ist der SPS, der ist super Proto und Synchotron,
hier werden die Teilchen weiter beschleunigt und final,
schicken wir dann die Teilchen hier in den großen Ring,
den LAC-Ring, Und da werden die Teilchen dann auf ihre Endenergie gebracht.
Und da werden dann auch, sobald die Endenergie erreicht ist,
die Teilchen strahlend zur Kollision gebracht.
Und um diese Kollisionspunkte herum bauen wir dann große Experimente,
um die Kollision messen zu können. Ja,
und das bringt mich auch zum zweiten Teil von unserer Werkzeugkiste der Teilchenphysik.
Und zwar dem Schritt, wie können wir ein Teilchen nachweisen?
Dafür brauchen wir riesengroße Teilchendetektoren, die genau um diesen Kreuzungspunkt
der gegenläufigen Strahlen herum aufgebaut sind.
Und hier sehen Sie ein Beispiel von so einem Teilchen-Detektor.
Das ist jetzt hier der CMS-Detektor. CMS deswegen,
weil ich auch an diesem Experiment mitarbeite. Ich werde ihn
aber gleich auch noch die anderen vier großen Experimente zeigen.
Nur damit sie eine Relation bekommen von der Größe dieses Detektus,
hier ist eine Person abgebildet.
Also das sind wirklich riesengroße Relektoren, die ganze Hallen-Untergrund-Hallen füllen.
Immer wenn ich jetzt von Experiment spreche,
spreche ich eigentlich von einer Sammlung von verschiedenen spezialisierten Subdetektoren.
Also ein Experiment, wie sie hier schon auch farblich angedeutet sehen können,
Alex im Moment, besteht immer aus einer Sammlung von ganz vielen unterschiedlichen Subdetektoren.
Bevor wir da jetzt einsteigen in die Tiefe der Teilchendetektoren,
will ich Ihnen aber noch ganz kurz die anderen oder alle
vier großen Experimente am LAC
Und diese vier großen Experimente am LRC, das sind Alice,
LACD, Ablast und CMS. Und hier sehen sie Bilder,
echte Bilder von diesen Direktoren aus den verschiedenen Hallen.
CMS. Und Atlas sind sogenannte Universal Purpose-Detektoren. Also Detektoren,
die so gebaut sind, dass sie möglichst eine breite Spektrum abdecken können.
Mit diesen Direktoren, die sind so ausgerichtet,
dass wir damit möglichst alles messen können, das gesamte Physikspektrum,
was man so an einem Teilchenbeschleuniger untersuchen möchte.
Also die sind nicht sehr spezialisiert, die sind sehr universell ausgerichtet.
Und dann haben wir zwei spezialisiertere Detektoren.
Der eine Direktor hier ist Alice. Alice ist darauf spezialisiert,
Missionen von Schwerjonen zu untersuchen,
also diese Kollisionen von zum Beispiel Xenumkernen oder von Bleikernen,
da ist dieses Experiment spezialisiert darauf,
weil wie sie hier schon an dem Bild hier erkennen können,
da ist ziemlich viel los, wenn man so einen schweren Kern aufeinanderschießt.
Da haben wir mit unseren Universal Purpose-Detektoren ein bisschen mehr Probleme,
die die Kollisionen gut zu untersuchen. Und dann haben wir einen zweiten Spezialdetektor,
das ist der sogenannte ELACB-Detektor und wie das schon in den Namen drinsteckt,
diese Detektor hat, was mit B-Qualks zu tun.
Und wenn Sie sich erinnern, an die Übersicht des Standardmodells,
die B-Qualks, die gehören zu, sind Quarks aus der dritten Familie,
Und ELACB ist darauf spezialisiert, zerfälle zu untersuchen,
in denen Big-Walks vorkommen.
Und warum macht man das? Man hat die Vermutung und auch die ersten Hinweise darauf,
dass wenn man Systeme untersucht in den Big-Walks vorhanden sind,
dass man dann verstehen kann, warum es eine Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum gibt,
weil man da auch eine gewisse Asymmetrie gefunden hat in diesem System.
Und vielleicht könnte das uns in die richtige Richtung führen,
um zu verstehen, warum haben wir mehr Materie als
Antimaterie im Universum.
Und das ist das Physikprogramm von ELACB
Okay, so, aber jetzt kommen wir wieder zu meinem Lieblingsdetektor zurück, zu CMS.
Und hier möchte ich Ihnen einfach mal ein paar,
aus meiner Sicht sehr faszinierende Bilder zeigen.
CMS, der Name steht für Kompakt, Müh und Solleneut.
Kompakt deswegen, weil er relativ klein ist, Sie sehen,
der ist nur 22 Meter lang und nur 15 Meter im Durchmesser.
Und das wirklich kompakt im Vergleich zu Atlas. Atlas ist nochmal viel größer,
also viel größer nicht, aber schon nochmal deutlich größer als CMS.
Deswegen, CMS ist der Kompakte unter dem Teilchen Detektoren.
Vielleicht ein Wort hier noch, Sie sehen hier,
CMS ist in diesem Zustand hier gerade auch gar nicht in
den kompaktesten Zustand, der möglich ist.
Sie sehen hier da dieser Fropfen, der ist hier gerade rausgefahren.
Normalerweise ist, also wir sprechen dann davon,
dass 10S gerade geöffnet ist. Wir können nämlich 10S,
CMS ist in einzelnen Schichten gebaut und wir können diese einzelnen Schichten auseinandernehmen.
Wenn man zum Beispiel hier im Zentrum arbeiten muss,
und das werden wir nachher noch müssen,
weil wir einen Pixel-Detektor zu installieren haben,
dann muss man diesen Detektor auseinandernehmen.
Das ist wie eine Ziehharmoniker, wir können da wirklich
einzelne Schichten einfach auseinanderziehen und hier sehen sie gerade,
ist CMS quasi geöffnet.
Ja, noch ein Wort zum Gewicht.
Hier sehen Sie noch ein weiteres Bild von CMS,
diesmal frontal
Auch wieder mit einer Person, hier in der Relation dazu.
CMS, der Detektor, der ist zwar der kleinere von den beiden.
Universaldetektoren, aber der schwerere von beiden. Also CMS wiegt
6000 Tonnen. Also das ist ein richtiges Schwergewicht.
Ich hatte schon gesagt, der LAC selber ist ein Ring,
der auch 100 Meter unter der Erde vergraben ist.
Entsprechend müssen da natürlich auch die Detektoren aufgestellt werden. Und ja,
hier sehen Sie gerade, wie ein großer Ring,
also Sie erinnern sich an den Durchmesser,
ein großer Ring, gerade mit einem Schwerlastkran,
hier nach unten gebracht wird.
Das ist ein riesengroßes Loch im Boden
Das führt direkt in unsere Untergrundhalle und dort in dieser Halle
wird dann CMS wieder zusammengebaut. CMS selber ist ein bisschen speziell,
man hat nämlich 10 als Übertage gebaut,
wir haben eine große Assembly Hall, das ist das,
was ich hier noch so im Anschluss sehen.
Dort wurde CMS einmal komplett aufgebaut in einzelnen Scheiben,
wie ich das vorhin schon erklärt hatte,
ich glaube 15 an der Zahl oder so,
aber Dings, das ist ziemlich dann nicht ganz fest.
Wie kann man auseinandernehmen und dann diese einzelnen Scheiben können dann
runtergelassen werden in diesen riesengroßen Schacht und unten wertig wird dann im CMS wieder zusammengesetzt?
Ja, es hört gar nicht auf mit den Superlativen.
Hier sehen Sie ein Bild von unserem Magnet. Ich werde
Ihnen gleich noch erklären, warum wir Magneten möchte in so
einem Detektor. Aber jetzt reicht es erstmal zu wissen,
dass TMS eigentlich den stärksten Magneten der Welt hat für seine Größe.
Der Durchmesser dieses Magnetens ist sechs Meter und die Magnetfeldstärke,
die im Inneren erreicht wird von diesem Magnet,
sind 3,8 Tesla und nur so zum Vergleich,
damit sie sich das ein bisschen vorstellen können,
wie viel das tatsächlich ist,
das Erdmagnetfeld sind nur 30 Milli-Tesla.
Also wir sind da fast ein Faktor,
eine Million ist da zwischen Erdmagnetfeld und dem Magnetfeld,
das wir hier im Zentrum von CMS haben
Die Frage ist, wie schaffen wir das so ein starkes magnetisches Feld zu erzeugen?
Und das funktioniert mit einem Elektromagneten und einem Elektromagnet, das kennen Sie wahrscheinlich,
das ist eine Spule und da schickt man einen Strom durch.
Und je mehr Strom man durchsteckt, desto höher wird das magnetische Feld.
Jetzt haben wir hier ein sehr, sehr großes magnetisches Welt.
Das heißt, wir brauchen sehr,
sehr viel Strom, den man hier durchschickt.
Und vielleicht einfach mal Frage ins Publikum. Was würden Sie schätzen,
wie viel Strom müssen wir durch den Magneten durchschicken,
damit wir 3,8 Tesla kriegen?
Ja, einfach mal raten. Okay, machen wir mit
. Okay, sehr schüchternes Publikum.
Ein paar Zehntausend Appear bietet jemand weniger oder mehr. Das ist schon
ganz schön ganz gut. Wir sind bei 20.000 Ampere.
Ja, okay. Aber trotzdem 20.000 Ampere hier durch so
einen Leiter durchzuschicken, das ist schon eine Herausforderung. Und Sie können sich vorstellen,
wenn man da einfach ein Kupperkabel hätte, hätten wir da durchaus ein Problem,
weil 20.000 Appear durch ein Kupperkabel zu schicken,
da ist da oben schon Widerstand zu hoch,
dass das Kupper sofort verdampfen würde.
Stattdessen benutzen wir hier einen Supraleiter. Das heißt,
wir benutzen hier Niob Titan, es ist eine Legierung,
die, wenn man sie ganz kalt macht,
ihren oben schon Widerstand verliert.
Und dann können wir hier 10.000 oder 20.000
Ampere durchschicken ohne große Probleme
Und der Strom, der kreist hier munter umher,
ohne dass wir irgendwelche Umschnittverluste haben.
Ja, noch ein paar Worte zu CMS als Kollaboration.
CMS selber ist nicht nur ein Experiment, sondern es ist
auch eine große Community, eine große Kollaboration an Menschen.
Das sind mehr als 3.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die beteiligt sind.
Hier sehen Sie nur einen kleinen, klitzekleinen Ausschnitt von diesen Leuten.
Das war diesen Sommer beim CMS-Sommerfest. Das war das
25-jährige Jubiläum des Bestehens des Konzepts von und hier wurde mal
wieder so ein Gruppenbild gemacht. Das hier ist,
das Bild ist entstanden in dieser Montagehalle von CMS,
von der ich vorhin schon gesprochen hatte,
das große Loch im Boden befindet sich gerade hier,
wo die Leute stehen.
Das ist nur jetzt gerade ein großer, eine große Betonabdeckung drüber geschoben.
Aber sie können sich vorstellen, das Loch im Boden ist,
geht hier wirklich von Seite zu Seite und ungefähr so lang.
Also ziemlich groß. Okay. Soviel zu den Details zu CMS.
Jetzt möchte ich mit Ihnen so ein bisschen mal verstehen,
wie so ein Teilchen-Detektor eigentlich funktioniert.
Und ich habe sie genannt, das Puzzle der Teilchen-Identifikation
Und ich hatte vorhin schon erwähnt,
dass ein Teil den Detektor, der besteht, immer aus,
also ein Experiment besteht immer aus einer Sammlung an Subdetektoren.
Das ist nie ein großer Detektor.
Und dann sind immer ganz viele spezialisierte Subdetektoren.
Und ich habe Ihnen mal diese einzelnen Subdetektoren hier mal aufgeschrieben.
Innerstes Detail des Detektors, es ist ein sogenannter Spurdetektor.
Spurdetektor, wie der Name schon vermuten lässt,
ist dafür Daumen, Spuren von Teilchen zu messen.
Wir können aber nicht Spuren von allen Teilchen messen,
sondern wir können nur die Flugbahn von Geladenenteilchen messen.
Also der Spurdetektor, der ist dafür da,
um die Flugbahn von geladenen Teilchen zu messen.
Und später werden wir noch sehen,
dass es eine ganz wichtige Rolle spielt,
weil wir mit diesem Detektor die Lade und den Impuls
des Teilchens
messen können
Danach als nächste Schicht haben wir zwei Detektoren,
das sind sogenannte Kalorimeter, Kalorimeter sind Detektoren,
die dafür da sind, um Energie von Teilchen zu messen.
Und dadurch, dass wir zwei verschiedene Typen von Kalorimetern haben,
ich habe das eine, nennt sich elektromagnetisches Kalorimeter,
das andere hat drohnisches Kalorimeter,
können wir auch noch Aussagen darüber machen,
welchen Wechselwirkungstyp das Teilchen vollzogen hat.
Und damit können wir ein bisschen mehr herausfinden,
um welches Teilchen es gerade geht. Kalorimeter und Spurdetektoren sind
komplett konträre Detektoren. Ein Spurdetektor möchte man möglichst leicht bauen,
weil wir wollen die Spur von einem geladenen Teilchen messen
Und wenn das jetzt irgendwie massives Material ist, dann würden,
die teilt den da in dem Material abgelenkt werden.
Und dann würden wir eine andere Spur messen, als das Teilchen ursprünglich hatte.
Also wir würden die Messung deutlich verfälschen. Das heißt,
ein Spurdetektor möchte man so leicht wie möglich bauen,
möglichst gar nicht, dass die Teilchenbahnen beeinflussen.
Weil jede Beeinflussung macht einen Messfehler für uns. Einen Kalometer baut man
aus sehr massivem Material, weil in einem Kalorimeter versucht man,
die komplette Teilchenenergie abzubremsen. Die teilt den,
die rasen dann dieses Kalorimeter rein und werden beim Rheinrasen abgebremst,
wandeln ihre Energie in Lichtblitze um und diese Lichtblitze,
die können mit diesen proportional zur Energie des Teichens.
Also Kalometer, ein Teichen wird komplett abgestoppt,
die teilt den Bahn interessiert uns
gar nicht
Spurdetektor. Wir versuchen, die Teilchen waren überhaupt nicht zu beeinflussen
und versuchen nur rauszufinden, wo ist das Teilchen denn längst gekommen.
Okay, nächstes Teil, nächster Teil in unserem Detektor ist der große Magnet.
Und der große Magnet, den brauchen wir,
um dafür zu sorgen, das geladene Teilchen,
die durch unseren Detektor fliegen, nicht gerade Linien fliegen,
sondern geladene Teilchen in einem Magnetfeld.
Und das wissen sie wahrscheinlich, nein, abgelenkt.
Das heißt, die fliegen auf einer Kreisbahn. Und die Kreisbahn,
die gibt uns Aufschluss darüber, welchen Impuls das Teilchen hatte.
Sie können sich das sehr gut vorstellen, ein langsames Teilchen
in dem starken Magnetfeld wird sehr stark um die Kurve gelenkt.
Ein schnelles Teilchen in dem Magnetfeld wird relativ gerade fliegen
Den Krümmungsradius der Kurve, die wir messen, kriegen wir raus,
welchen Impuls hat er das Teilchen. Und über die Krümmungsrichtung,
also ob es nach links gekrümmt wird oder nach rechts gekrümmt wird,
kriegen wir raus, welche Ladung hat das Teilchen.
Also der Magnet ist essentiell wichtig,
damit wir mit dem Spurdetektor sinnvolle Physik machen können. Ja,
und dann haben wir ganz außen noch einen Detektor,
das ist der sogenannte Myondetektor und sie erinnern sich vielleicht noch,
die Myonen, das waren die schweren Geschwisterteilchen zu den Elektronen.
Und die Myonen, die sind so ein bisschen speziell.
Alle anderen Teilchen hatte ich gesagt, die bleiben hier stecken.
Die Kalorienmeter sind so gebaut, dass die Teilchen da reinrasen,
die bleiben stehen und wandeln ihre komplette Energie in Lichtblitze um.
Alle bis auf zwei Teilchensorten
Und zwar die Millionen nicht, die Millionen,
die wechselwirken sehr schwach. Das heißt, die Millionen,
die schaffen es auch durch das, durch die Kaloriemeter durch.
Und die machen da noch in den äußeren Bereichen noch ein Signal.
Deswegen nennt man diese Detektoren die Millionendetektoren. Und dann
haben wir noch die zweiten Teilchen, den zweiten Teilchen,
die zweiten Teilchensorte, das sind die Neutrinos.
Und die Neutrinos, die Wechsel wirken einfach gar nicht mit unserem Detektor.
Die fliegen einfach raus und wir können sie überhaupt nicht nachweisen.
Und Neutrinos können wir nur messen,
indem wir Energie- und Impulsehaltung benutzen und sagen, okay,
alles, was wir jetzt, was hier fehlt,
um auf die Gesamtenergie zu kommen,
das müssen Neutrinos sein.
Eine andere Möglichkeit haben wir mit Neutrinos nicht
Okay, und jetzt würde ich sie einladen.
Einmal mit mir dieses Puzzle der Teilchen, Identifikation zu spielen.
Ich habe für alle diese Teilchen einmal aufgeführt. Elektronen,
Photonen, Myonen, neutrales Hadron, geladenes Hadron und Neutrino.
Und die entsprechende Signatur im Detektor. Also zum Beispiel ein Elektronen.
Elektronen ist ein geladenes Teilchen, also macht das eine Teilchenbahn.
Das heißt, wir sehen eine Spur. Und weil ein
Elektronen-Elektromagnetischwechsel wirkt, macht es ein Signal im elektromagnetischen Kalorometer.
Im hardronischen Kalorometer nichts und im Myon-Detektor auch nichts.
Ein Photon ist ein nicht geladen, ein Foton ist nicht geladen,
das heißt, es macht auch keine Spur im Spurdetektor,
weil im Spurdetektor sehen wir nur geladene Teilchen.
Das heißt, keine Spur im Spurdetektor, aber es wechselt wirkt elektromagnetisch.
Ich hatte ihnen ja gesagt worden, Photon ist das Austauschteilchen der elektromagnetischen Kraft.
Also macht das ein Signal im elektromagnetischen Kalorienmeter. Und hier,
Haarkal, also atronisches Kalorienmeter und Neon Detector wieder nix.
Myon ist ein geladenes Teilchen, also bedeutet,
wir sehen ein Signal in dem Spur-Detector, also wir sehen eine Spur,
kein Signal im elektromagnetischen Kalorometer, das Wechsel gibt einfach so schwach.
Kein Signal im atronischen Kalorienmeter, aber das ist das einzige Teilchen,
das ist dann auch wirklich bis ins Mühen in der Myon Detector schafft.
Deswegen heißt der eben auch Myon-Detector. Und dann haben wir noch die beiden,
Teilchen hier, einmal das neutrale Hadron, ein neutrales Hadron,
macht wieder keine Spur, elektromagnetischen Kalorometer, aber dafür eben hatronischen Kalorometer.
Deswegen heißt es, hat chronische Kalorometer auch irgendwie,
wie es heißt. Und dann gibt es noch das Gelande,
Hatron, das macht im Gegensatz zum neutralen,
hat Tron einfach noch zusätzlich eine Teilchenbahn,
weil es einfach ein geladenes Teilchen ist und sobald es geladen ist,
sehen wir es wieder im Spuldetektor.
Und Neutrino, wie gesagt, da sind wir verloren.
Das macht einfach nirgendwo ein Signal damit und da können wir
nur Energie- und Impulsehaltung benutzen. So, jetzt ist die Frage,
Sie sehen hier ganz viele Signaturen eingezeichnet, zufälligerweise genau fünf.
Die Frage ist, was ist das Elektron?
Sie können einmal hier gucken, also eins,
zwei,
4, 5. Jeder kann mal kurz überlegen,
ob er weiß, was hier das Elektron wäre.
Und dann zeige ich das in zwei Sekunden. Ja,
hier und so. Das ist das Elektron. Sie sehen,
es macht eine Spur und endet dann im elektromagnetischen Kalorimeter und danach kommt nichts mehr.
So, nächstes Teilchen ist das Foto und das Foto und ist neutral.
Welches dieser verbleibenden vier Signaturen wäre das Foto? Jeder kann mal
kurz überlegen. Und dann zeige ich ihnen die Lösung,
das ist das erste. Es macht keine Spur, es ist ähnlich,
es ist nur gestrichelt, da sind keine Kreuze nichts.
Also wir sehen hier nichts im im Spurdetektor.
Und dann sehen wir eine Signatur hier im elektromagnetischen Kalorienmeter.
Nächstes Teil ist es Myon, okay, das ist leicht.
Ich glaube, das sehen sie alle direkt,
das Myon kommt ins Myonensystem. Das ist Nummer drei hier.
Also das ist übrigens auch der Grund für unser Logo,
wenn sie nachher nochmal das TMS-Logo sehen werden,
können sie sich an diese Myonenspur mal erinnern.
Dann haben wir das neutrale Hardron. Das wird jetzt immer leichter.
Die Möglichkeiten werden weniger. Neutrales Hardron hat keine Spur.
Ende dem hartronischen Kalorienmeter, als er sie sehen, das ist dieses Ding hier.
Und dann final haben wir das geladene Hardron,
das kann ich Ihnen jetzt gleich zeigen,
wie Sie sehen hier,
es ist eine gekrümmte Bahn und es endet im atronischen Kalorienmeter
Und dieses Spiel treiben wir die ganze Zeit. Wenn wir Kollisionen machen,
wann machen wir eigentlich die ganze Zeit diese Teilchen-Identifikation?
Natürlich sitzt da keiner da und macht das bei Hand.
Mittlerweile haben wir da intelligente Algorithmen, die das für uns tun.
Aber im Wesentlichen tun wir genau das. Also wir schauen uns
die einzelnen Signaturen den verschiedenen Subdirektoren an und versuchen dann zu sagen,
das war ein Elektron, es waren Mühen,
das war ein neutrales Hardron und so weiter.
Okay, so, jetzt zoomen wir noch ein bisschen weiter rein.
Und wir kommen dem Thema immer näher. Ich hatte Ihnen
ja versprochen, wir wollen uns um den Spurdetektor kümmern.
Wir wollen uns um den Pixel-Detektor, also den innersten Spurdetektor
kümmern. Und dazu wollte ich Ihnen einmal erklären,
wie wir eine Spur rekonstruieren am Detektor
Hier sehen Sie einmal so einen Ausschnitt aus dem Spuldetektor.
Sie erinnern sich, das sind diese Kreise hier.
Ich habe jetzt nicht alle gemalt. Und das ist hier
ein transfersaler Schnitt. Also Sie sehen,
wir gucken uns jetzt hier diesen innersten Teil an.
Und hier ist eine Kollision, hat eine Kollision stattgefunden.
Was passiert nach einer Kollision? Nach einer Kollision sehen wir
in den verschiedenen Lagen, sind wir verschiedene sogenannte Hits.
Und wir wissen, dass überall, wo dieser hohen Punkt
auftritt, dort ist ein Teilchen lang geflogen.
Und jetzt wieder ein kleines Quiz. Was denken Sie,
wie viele Teilchen Spuren sind in diesem Ereignis?
Also wie viele geladene Teilchen sind hier rausgeflogen?
Da kann man schätzen, wenn nicht acht
Das ist langweilig, du darfst nicht mehr mitspielen hier.
Nee, nein, es sind nicht acht,
das sind nicht acht. Wir werden es gleich sehen.
Okay, das ist der erste Schritt. Also wir machen
Kollisionen und wir messen Hits. Im nächsten Schritt,
der nächste Schritt, den nennen wir die sogenannte Mustererkennung.
Also wir versuchen rauszufinden, welcher Hit gehört zu welcher Spur.
Und ich habe Ihnen das jetzt hier mal farblich eingefärbt.
Das ist was ein Algorithmus für uns tun würde,
der versucht herauszufinden, welcher Hit gehört zu welcher Spur.
Jetzt können Sie schon zählen, wenn Sie wollen,
aber ich mache es ihm noch ein bisschen leichter.
Der nächste Schritt ist nämlich die Spuranpassung. Also wir nehmen eine Funktion,
eine Helix in dem Fall und fitten die,
also passend die an, die gemessenen Punkte an.
Wir versuchen die
sozusagen durch diese Punkte durchzulegen
Wenn sie das jetzt zählen, dann sind wir bei sieben.
Das sind sieben Spuren, die wir hier sehen.
Und so guter Letzt, jetzt haben wir unsere Spuren gemessen,
was stellen wir jetzt damit an? Ich habe es ja
vorhin schon mal erwähnt, wir wollen den Impuls rausfinden des Teilchens.
Und jetzt zeige ich Ihnen ein bisschen Formeln,
ich hoffe, das ist okay. Aber ich dachte,
das ist ganz, ganz instruktiv und hoffentlich nicht zu kompliziert.
Damit ein Teilchen auf eine Kreisbahn fliegt oder es gibt eine Kraft,
die versucht ein Teilchen quasi aus,
wenn es um eine Kurve fliegt, aus dieser Kurve rauszudrücken.
Und das ist die sogenannte Zentrifugalkraft. Ich nenne es hier,
wenn man FZ, die Zentrifugalkraft, das ist Masse,
mal Geschwindigkeitsquadrat durch den Radius.
Und MLV kann man noch zusammenfassen zu P als den Impuls.
Also wir haben ja die zentrale Fugalkraft, ist Impuls,
mal Geschwindigkeit durch den Radius. Dann haben wir eine andere
Kraft, die hält das Teilchen in der Bahn.
Und zwar ist das unsere Magnetkraft,
die versucht das Teilchen auf dem Kurven und Kurvenradius zu halten.
Und das ist die Lorenzkraft. Und die Lorenzkraft,
das ist Magnetfeldstärke, mal Ladung, mal die Geschwindigkeit.
Und gerade wenn die Zentrifugalkraft und die Magnetkraft,
also die Lorenzkraft gleich groß sind, in dem Moment haben
wir das Kräftegleichgewicht und das Teilchen macht eine stabile Kreisbahn.
So, das heißt, ich kann jetzt hier einmal ein
bisschen Mathematik machen und das ein bisschen umstellen und was wir dann sehen ist,
man kann schreiben, der Impuls, das ist gleich das Magnetfeld,
mal die Ladung, mal den Radius.
Das heißt, wenn wir, also Magnetfeld kennen wir,
weil wir haben ja uns ja super supraleitende Magneten so eingestellt,
dass da 3,8 Tesla rauskommen, die Ladung ist relativ uninteressant,
weil alle Elementareleitungen, die Elementarteilchen, die wir da jetzt beobachten,
die haben eigentlich eine Ladung von 1. Relevant ist nur das Vorzeichen davon,
das entscheidet, ob es sich in die eine Richtung kommt oder in die andere Richtung.
Aber sie sehen, der einzige Parameter, der relevant ist,
ist der Radius. Und den können wir messen. Das heißt,
sobald wir einmal die Kurve kennen,
dann können wir den Kurvenradius messen und wenn wir den Kurvenradius gemessen haben,
dann haben wir den Impuls des Teilchens bestimmt.
Und das machen wir die ganze Zeit an einem Spurdetektor,
machen wir nichts anderes als Kids messen
Kurven reinlegen und dann Radius messen. Okay, so,
und jetzt kommen wir dem Thema noch näher.
Wir versuchen jetzt mal ein bisschen zu verstehen,
wie wir diese geladenen Teilchen überhaupt messen.
Also es war gerade ein bisschen abstrakt. Ich hatte gesagt,
wir haben da irgendwelche Hits, aber jetzt ist die Frage,
wie messen wir diese Hits eigentlich?
Also wie misst man ein geladenes Teilchen?
Und Teilchennachweis bedeutet eigentlich immer Wechselwirkung dieses Teilchens,
das wir nachweisen möchten, mit einem Nachweisgerät oder einem Nachweisstoff.
Und als warmen Aufwärmübung schauen wir uns das einmal hier an
ein Beispiel von einem Gas.
Also Gas ist in dem Fall unser Nachweismaterial.
Hier sehen Sie mal ein sehr, sehr stark vergrößertes Gasatom.
Das schürt hier durch den Raum. Sie sehen den Atomkern,
das Umgeben von so einem Elektronen.
Und von außen betrachtet ist dieses Atom elektrisch-neutral. So,
jetzt lassen wir hier mal ein geladenes Teilchen mit genügend Energie
dran vorbeifliegen, genügend nah dran vorbeifliegen.
Und dann kann es hier zu einem Energieübertrag kommen.
Und dieser Energieübertrag sorgt dafür, dass wir so ein äußeres Elektron,
so ein Valenz-Elektron einfach mal rausklicken aus der Atomhülle.
Und was dann passiert, also das ist, dieses Prozess nennt man Junisierung.
Und was dann passiert ist, was hier übrig bleibt,
das ist ein elektrisch geladenes John.
Also das John ist jetzt elektrisch positiv.
Es hat eins seiner Elektronen verloren
Und wir haben ein freies Elektronen.
Das ist jetzt auch frei und kann sich frei bewegen.
Das ist nicht mehr gebunden im Atom.
Und hier sehen Sie das auch nochmal dargestellt in einem Energiediagramm.
Hier ist die Bindungsenergie aufgetragen. Das sind die verschiedenen Energieniveaus,
die man im Atom so hat. Sie sehen,
je tiefer wir ins Atom reingehen, desto stärker ist so ein Elektron gebunden.
Aber wir schaffen es hier aus diesem Valenz-Elektron,
das sind die äußersten Elektronen, schaffen wir es,
hin und wieder auch mal ein Elektron rauszukicken,
weil der Rauskicken bedeutet in dem Fall über diese rote Linie heben.
Das heißt, wir müssen das hier irgendwie über diese rote
Linie bekommen. Und dann ist es ein freies Elektron.
Alle Elektronen, die unter der roten Linie sind,
die sind in dem Atom
noch gebunden
So, jetzt haben wir hier so ein freies Elektron und ein positives John.
Das heißt, wir haben schon mal irgendwie zwei getrennte Ladungen,
eine positive Ladung, eine negative Ladung.
Wie kann man die jetzt nachweisen? Man baut darum so einen Zylinder,
der ist elektrisch. In der Mitte steckt man ein Draht rein,
den man hier beim Durchstichen ein bisschen isoliert am besten.
Und dann legt man ein elektrisches Held hier an.
Außen ist dann die Kathode, ist negativ geladen.
Innen ist die Annode, ist positiv geladen. Und sobald
jetzt hier so eine junisierende Strahlung durchläuft, werden diese Gasatome und Moleküle junisiert.
Das entstehen freie Elektronen und eben diese Aber dadurch,
dass mich jetzt auch hier ein elektrisches Feld haben,
bleiben die nicht einfach in der Nähe und treffen sich sogar
vielleicht wieder und rekombinieren, sondern die werden sofort getrennt.
Das heißt, das Elektron, sobald es frei ist,
sieht es das elektrische Feld und man fliegt zur Anode hin.
Das John sieht das elektrische Feld auch und fliegt zur Katholiken.
Das heißt, wir haben eine Ladungstrennung. Und sobald
das Elektron auf den Draht trifft und das John,
die Außenland hier berührt, fließt ein kleiner elektrischer Strom.
Und die sind kleinen elektrischen Stromen, den kann man messen.
Und damit haben wir ein Teilchen nachgewiesen. So,
jetzt haben wir verschiedene Möglichkeiten, wie wir dieses Zählrohr,
so nennt man das,
wie man
das betreiben kann
Und zwar ist der einzige freie Parameter bei diesem Xellrohr,
die Betriebsspannung. Wir können die Spannung einfach immer weiter erhöhen.
Und wir fangen mal klein an. Also wenn die Spannung sehr gering ist,
wir sehen ja in diesem Gran, der Diagramm,
hier ist die Zellrohrspannung auf der X-Achse und die Anzahl der Elektrounionenpaare auf der Y-Achse,
wenn die Spannung sehr klein ist,
dann schaffen es nicht alle Elektronen zu dem,
zu dem eigentlichen Draht hin.
Das heißt, die meisten treffen irgendwo wieder in Millionen,
das noch frei rumschwebt und rekombinieren. Deswegen,
wenn in diesem Bereich den Rekombinationsbereich, also nicht alle Elektronen erreichen
ein Draht und es besteht auch keine Verstärkung und nichts.
Also das ist ein Bereich, in dem man
so ein Gerät definitiv nicht betreiben möchte
Danach sind wir im sogenannten Junisationskammerbereich in diesem Bereich, wo ist das verschoben?
Entschuldigung, hier, nicht alle, genau, das gehört zur Rekombination.
Das hier gehört so zum Junior, zur Junisationskammer.
In diesem Bereich erreichen alle freien Elektronen auch den Draht,
aber dabei kommt es nicht zu einer Verstärkung. Das heißt,
das wären einfach die freien Elektronen, die werden abgesaugt,
die freien Ionen werden auch abgesaugt und man trennt die Ladung
einfach und hat dann damit hier dieses Plateau, also keinerlei Verstärkung.
Jetzt können wir die Spannung noch weiter erhöhen. Und dann
sind wir im sogenannten Proportionalbereich, wenn wir die Spannung weitererhöhen,
diese Elektronen auf dem Weg zum Draht weiter beschleunigt.
Und irgendwann sind die so schnell,
dass die wieder einen Gasatom treffen können und genug Energie haben,
um dieses Gasatom weiter zu junisieren.
Das heißt, aus einem Elektronen können zwei Elektronen werden oder vier oder hundert oder tausend.
Das heißt, wir haben hier einen Verstärkungsbereich. Das heißt,
ein Elektronen macht ganz, ganz viele Elektronen am Draht.
Deswegen nennt man das hier den Proportionalbereich.
Und die Verstärkung, die kann wirklich 100.000 betragen.
Das ist wirklich eine enorme Verstärkung, die man erreichen kann.
Und der letzte Bereich, das ist der Plateaubereich,
in dem Plateaubereich, ist das elektrische Feld so stark.
Also die Spannung, die man hier zwischen Kammerwand und Draht anlegt,
ist so stark, ein einzelnes Junisier,
eine einzelne Junisierung ausreicht, um sozusagen eine Gaseinladung auszulösen.
Und die Gaseinladung, die ist ein konstanter, stromlos,
weil es wird so viel, wenn so viele sekundäre Elektronen erzeugt,
dass dieser Stromfluss nie abbricht.
Das heißt, man muss aktiv diese Kanne sozusagen stoppen und
erst dann ist sie wieder resettet und kann wieder Teilchen detektieren.
Dieser Bereich, hier dieser Plateau-Bereich, das ist der Bereich,
wo man ein sogenanntes Geiger-Mühler-Zellrohr betreibt, von dem haben sie vielleicht schon noch gehört.
Das ist genau dieser Bereich und der ist halt wahnsinnig sensitiv.
Und wenn sie in so alten Filmen Leute rumlaufen sehen mit diesen knackenden Radioaktivitätsdetektoren,
das sind dieses Knacken ist nichts anderes als ein Strompuls,
in so einem Tellrohr und jedes Knacken entspricht quasi einen,
junisierenden Teiltipp, das da durchgeflogen ist.
Okay, so, ich habe Ihnen das jetzt einmal zur
Aufwärmübung an einem Gas erklärt. So sieht das hier nochmal aus,
zu kleinen Erinnerungen, also ein Gas mit freien Einzelatomen.
Und jetzt die Frage, gibt es Alternativen zum Gas?
Und die Frage führt natürlich zum nächsten Thema. Wenn man
ganz viele Einzelatome hat, dann kann man die ja auch
ganz nah zusammenpacken. Und wenn man Einzelatome ganz nah zusammenpackt,
zum Beispiel in ein Gitter, dann landet man in einem Festkörper.
Und das heißt, wir schauen uns jetzt mal das Ganze
an, ob das auch in einem Festkörper funktioniert
Sie erinnern sich hier, das waren die einzelnen Energiniveaus in einem Atom,
das sind hier diskrete Energiniveaus,
wenn wir ganz viele Atome ganz dicht zusammenpacken,
dann gibt es nicht mehr so diskrete Energiniveaus,
dann gibt es sogenannte Bänder.
Und es gibt das sogenannte Balenzband und das sogenannte Leitungsband.
Wenn Sie einen Festkörper angucken, dann ist das Valenzband,
das Band, wo alle Elektronen,
also das ist das höchste energetische Band,
wo noch alle Elektronen drin sind.
Also hier sind alle Plätze belegt normalerweise, also überall sind Elektronen.
Und das Leitungsband ist das erste Band,
der erste Zustand, wo der erste freie Platz wieder
vorhanden ist
Und dazwischen gibt es eine sogenannte Bandlücke, das ist ein quantenmechanisch verbotener Bereich.
In dem Bereich finden wir keine Zustände. Das heißt,
ein Elektron kann entweder Oberkante Valenzband oder unterkannte Leitungsband sitzen,
aber nicht dazwischen, das ist verboten. So,
und hier nochmal, damit es klar ist, in einem Leitungs-,
also in einem Balenzband, da haben wir rattlich gebundene Elektronen,
also nicht mobile Ladungsträger im Leitungsband,
da haben wir quasi freie Elektronen und mobile Ladungsfräger.
Das ist in unserer Analogie zu dem, zu dem Atom,
haben wir hier die freien Elektronen und hier unten haben wir die Dionen.
Ja, wenn wir jetzt hier eine Junisierung durchführen, das heißt,
wenn die jetzt ein geladenes Teilchen vorbeifliegt, Energie übertragen werden.
Und hier wird dann quasi ein Elektron außen im Valenzband angeregt in das Leitungsband.
Und bei dieser Junisierung erzeugen wir eben ein mobiles Elektron mit
einer negativen Ladung im Leitungsband und einen freien Platz im Valenzband
und ein freier Platz im Valenzband funktioniert so wie eine positive Ladung.
Sie können sich vorstellen, dass Elektron und das Nachbarelektron kann
ich hier hinhüpfen und kann sozusagen das freie Loch durchreichen.
Und dabei verhält sich so ein freies Loch,
so eine freie Stelle im Prinzip wie eine positive Ladung.
Also die Analogie, hier haben wir freie Elektron und Unionen.
Hier haben wir Elektronlochpaare, aber im Prinzip funktioniert das
ganz genauso
So, und jetzt steigen wir mal ein bisschen tiefer noch in die Festkörperphysik ein.
Hier sehen Sie nochmal so ein Kristallgitter, so ein Festkörpergitter.
Ich habe jetzt hier mal Silizium genommen, Silizium deswegen,
weil das ist der Stoff, den wir auch Wetter angucken werden.
Und Silizium ist ein vielwertiger Stoff, das heißt,
es hat vier Valenzelektronen und sie sehen diese Valenzelektronen,
die können hier sehr schöne kobalente Bindungen aufbauen.
Und alles sieht hier nach einem sehr wohl strukturierten und geordneten Gitter aus.
Und sie sehen diese Elektronen, diese Valenzelektronen,
die diese Bindung hier aufbauen, das sind diese Elektronen,
die besetzen, das war Lenzband in unserem, in unserem Festkörper.
Und das befindet sich kein freies Elektron im Leitungsband. Dann habe ich hier diese Bandlücke,
von der ich vorhin schon mal gesprochen hatte und diese Bandlücke,
die entscheidet darüber, welche elektrischen Eigenschaften das Material hat.
Ist die Bandlücke sehr, sehr groß,
dann sprechen wir von einem Isolator, ist die Bandlücke sehr klein,
beziehungsweise überlappen sich sogar das Leitungsband des Valenzbandes,
dann können sie sich vorstellen,
dann können die Elektronen sich alle frei bewegen,
dann gibt es mobile Ladungsträger und wenn es mobile Ladungsträger gibt,
dann sprechen wir von einem Leiter.
Aber der für uns interessante Bereich ist der Halbleiterbereich und zwar ist das Stoffe,
bei denen diese Bandblücke schon getrennt ist, also sie ist schon vorhanden,
aber sie ist nicht so groß, dass man sie nicht überwinden könnte.
Also und was heißt nicht so groß, dass man sie nicht überwinden könnte? Es bedeutet,
dass wir immer noch durch thermische Anregungen, also einfach nur durch die Energie,
die sich so in der Wärme, in der Umgebungswärme befindet,
Elektronen aus dem Valenzband, in den Leitungsband anregen können.
Und die Wahrscheinlichkeit für so eine thermische Anregung,
die habe ich ihnen nicht immer hingeschrieben,
die ist proportional zu so einem Faktor,
den nennen wir den Bolzmann-Faktor, das brauchen sie jetzt gar nicht verstehen,
aber das Wichtige an dieser Formel ist, wenn sie sich die angucken,
da geht einmal der Abstand dieser Bandlücke ein,
das ist dieses EEG und da geht die Umgebungstemperatur Tee ein.
Und wenn sie sich diese Formel angucken, dann sehen sie,
wenn ja ein großes EG haben, also eine große Bandlücke haben,
dann haben wir eine sehr kleine Wahrscheinlichkeit dafür,
dass wir eine thermische Anregung hinbekommen.
Und dann haben wir sowas wie einen Isolator. Wenn wir eine sehr hohe Temperatur haben,
dann haben wir eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit,
dass wir eine thermische Anregung machen, was ja irgendwie naheliegt,
weil thermische Anregungen sagt ja, dass durch die Temperatur die Anregung stattfindet.
Aber das merken Sie sich einmal bitte kurz,
weil das brauchen wir später, weil das ist eine der Hauptgründe,
warum wir unseren Detektor kühlen müssen,
weil wir diese thermische Anregung unterbinden müssen.
Okay, jetzt wird es noch ein bisschen komplizierter.
Wir hatten jetzt hier ein kleines Selicium-Gitter,
das ich Ihnen dargestellt habe
Hatte ich gesagt, ist ein vierwertiger Stoff. Das heißt,
es hat vier Valence-Elektronen. Jetzt können wir mal beabsichtigt,
eins von diesen Selicium-Atomen austauschen und stecken da mal zum Beispiel ein fünfwertiges Atom rein.
Das ist das Nachbaratum zum Selicium. Das ist,
ich glaube, Hosphor. Fosco hat fünf Valence-Elektronen.
So, was passiert jetzt? Diese, okay,
diese fünf Valence-Elektronen von den fünf Valence-Elektronen finden vier perfekte Bindungspartner durch das Selicium.
Das heißt, die machen nichts anderes als beim Selicium-Atom.
Aber das eine fünfte, das ist so ein bisschen,
das hängt so ein bisschen in der Luft.
Das findet kein Bindungspartner und entsprechend ist dieses fünfte Valence-Elektronen
relativ schwach gebunden
Das heißt, das ist zwar irgendwie hier lokalisiert an dem Fospor,
aber nur relativ schwach, weil es hat keinen guten Bindungspartner gefunden, es hängt einfach darum.
Und wenn man sich das in diesem Energieschema anguckt,
dann ist das so, als ob das quasi frei ist.
Also Sie sehen, dass eine zweite Linie drunter,
die ist nicht ganz auf der roten Linie,
als es noch nicht wirklich noch nicht wirklich im Leitungsband,
aber ist ganz, ganz knapp darunter.
Das heißt, so ein bisschen Wärme aus der Umgebung reicht schon locker aus,
um das ins Leitungsband zu heben. Und weil wir,
und in diesem Fall, wenn wir hier sozusagen ein,
das nennen wir einen Donator, also ein Fremdatom einbringen,
das fünfwertig ist, also quasi hier ein zusätzliches Elektron spendet,
Nennen wir das Ganze hier eine Enddotierung,
also ein Endonator, weil wir hier einen negativen,
einen negativen Ladungsträger hinzufügen.
Also unser System hat einen negativen Ladungsträger mehr plötzlich. So,
jetzt machen wir dasselbe Spiel mit einem 3 wertigen Stoff, in dem Fall Aluminium.
Und da funktioniert es im Prinzip ganz analog und ein bisschen komplizierter,
weil jetzt haben wir wieder diese komischen Löcher.
Hier haben wir ein Aluminium, hatte 3 Valence-Elektronen,
also nur, aber wir wollen eigentlich 4 kohalente Bindungen,
weil sie liegt so gerne 4 kohalente Bindungen ausführt.
Sie sehen hier an der Stelle fehlt einfach eine Bindung.
Das heißt, ein freies Elektron,
das irgendwie durch den Festcover wandert und an Aluminien vorbeikommt,
sieht, oh, da ist eine freie Stelle und würde diese freie Stelle belegen.
Das heißt, hier ist eine freie Stelle, die wir
erzeugen in unserem Festkörper. Das heißt, wir erzeugen einen,
wir spenden einen zusätzlichen neuen, freien Platz im Valenzband.
Und das, ich hatte vorhin schon gesagt,
ein Loch ist dasselbe wie ein positiver Ladensträger. Also,
das hier nennen wir Endotierung, weil wir hier einen negativen Ladesträger spendieren.
Das hier nennen wir P-Dotierung, weil wir hier einen positiven
Ladesträger spenden. Und die große Magie passiert jetzt,
wenn wir so einen endotierten Halbleiter und einen pädotierten Halbleiter zusammenbringen,
weil das passiert dann. Wir können das in zwei Bildern
angucken. Fangen wir erstmal vielleicht mit diesem unter an.
Wir sehen hier das Force Four, das hat hier ein Elektron zu viel,
das Aluminium, das hat hier ein Elektron zu wenig.
Das ist jetzt super schwach gebunden, das heißt,
das Elektron, das kann relativ leicht sich hier im Festkorb bewegen,
findet hier plötzlich eine freie Stelle und wird in diese freie Stelle hüpfen.
In einem Energiediagramm, Bindestdiagramm sehen Sie ja das Gleiche,
da haben wir das Elektron aus der End-Dotierung,
das findet hier den freien Platz in der Pilotierung und das wird hier einfach hier hineinspringen.
Das heißt, am Ende des Tages,
wenn wir hier keine freien Ladungsdrecke mehr haben, ich hatte vorhin gesagt,
in dem N-Bereich haben wir ein freies Elektron im P-Bereich,
haben ein freies freies Loch, also ein freies,
eine freie positive Ladung.
Aber wenn wir N&P zusammenbringen, dann gleichen sich die freien Ladungsträger aus.
Das heißt, hier, wenn das hier hier runtergesprungen ist,
gibt es keinen freien Ladungsträger mehr.
Was aber nicht so toll ist oder beziehungsweise jetzt der ganze Trick bei diesem PN-Übergang,
das Force Force selber braucht trotzdem das Elektron, um elektrisch neutral zu bleiben.
Das heißt, das hier hat ja quasi ja eine Ladung mehr,
deswegen braucht es auch ein Elektro mehr, um die Ladung auszugleichen.
Wenn dieses Elektron jetzt denkt, okay,
hier ist eine energetisch bessere Position für mich,
ich gehe mal dahin, dann ist plötzlich,
das Forstball ist hier lokal dieses Kristall, diese Kristallgitter,
ist lokal positiv geladen.
Dasselbe passierte im Aluminium nur andersrum. Das Aluminium,
das darf eigentlich gar kein Elektron haben, weil es ist eigentlich so,
wie es jetzt hier ist, ist es eigentlich elektrisch neutral.
Jetzt ist da aber plötzlich ein Platz frei und ein Elektron denkt sich,
okay, hier ist ein energetisch günstigerer Zustand für mich.
Ich gehe da mal hin. Dann haben wir hier ein
lokal plötzlich den Kristall negativ geladen. Das heißt,
was wir schaffen hier in diesem Kristall,
wenn wir einen endotierten Halbleiter und einen P dotierten Halbleiter zusammenbringen,
ist, wir haben keine freien Ladungsträger mehr, aber wir haben Raumladungen plötzlich.
Also in einem Kristall haben wir plötzlich ortsfixierte Ladungen,
die fest an diesen Orten sich befinden.
Und wenn man fest fixierte Ladungen irgendwo hat,
dann bildet sich dazwischen ein elektrisches Feld aus.
Das heißt, Hier sehen Sie es nochmal in der Übersicht.
Hier ist die Endotierung, das ist die P-Dotierung. Wir haben hier einen Bereich,
wo die zusammenstoßen und in diesem Zusammenstoßenden Bereich gibt es keine freien Elektronen mehr,
sondern hier nur noch die Ortsweste, positive Ladung von dem Phosphor.
Und hier gibt es keine freien Löcher mehr,
sondern nur noch die ortsfeste Ladung von dem Aluminium.
Und hier herrscht ein elektrisches Feld. Und dass da dieser PN-Übergang,
das haben sie alle in ihren Hosentaschen, alle in ihren Handys,
weil das ist nämlich genau das, woraus Halbleiter,
Dioden und dann später auch Halbleiter Transistoren gebaut sind.
Das ist genau das Prinzip, dass sie täglich in
hunderten Aktionen verwenden
So, wir können diese Halbleiter-Diode nun in zwei verschiedenen Betriebsmodi betreiben.
Also es sehnt hier wieder, das ist der Zustand,
wenn wir P- und N-Halbleiter zusammenbringen. Da haben wir hier diese Zone,
wo es keine freien Ladungsträger gibt, sondern nur die Raumladungen.
Und ich nenne es ja Raumladungszone, so nennen wir das auch richtig,
weil hier einfach die Ladung räumlich getrennt und fixiert sind.
Also die können sie nicht bewegen. Jetzt können wir hier
eine externe Spannung anlegen. Also ich habe jetzt hier
schon eine Spannungsquelle und wir können jetzt zwei Polungen wählen.
Wir können einmal die Durchlassrichtung wählen, das heißt,
wir legen hier minus und hier plus an.
Das heißt, wir können dieses interne elektrische Feld,
können wir versuchen zu kompensieren, mit einer elektrischen Spannung.
Das ist ja kein Problem. Wir legen einfach eine Spannung an,
die so groß ist, dass das elektrische Feld,
das sich hier natürlich aufgebaut hat, einfach kompensiert wird.
Und dann gibt es hier sozusagen einen Stromfluss.
Dann kann hier Strom durchfließen. Wir können aber die Diode
auch in der Sperrrichtung betreiben. Das heißt, wir legen hier
Plus auf der Seite an, minus auf der Seite.
Das heißt, was wir hier machen, ist,
wir saugen die freien Elektronen noch weiter ab und wir saugen
die freien Löcher noch weiter ab.
Das heißt, wir vergrößern diese Raumladungszone noch künstlich.
In diesem Fall haben wir dann keinen Stromfluss. Das heißt,
hier kann kein Strom durchlesen. Und deswegen nennt man das
Ganze auch eben Diode. Dioden benutzt man als Gleichrichter,
wo wir eine Richtung Strom durchschicken können,
aber die andere Richtung eben keinen Sprung durchschicken können. So,
hier habe ich jetzt ein kleines Detail noch unterschlagen,
wenn wir hier in dieser Sperrrichtung sind,
in der Sperrrichtung können keine Ladungsträger von dieser Seite,
auf diese Seite fliegen,
weil hier einfach diese große Raumladungszone dazwischen ist,
da kommt einfach kein Ladesträger durch.
Es sei denn, diese Ladungsträger entstehen in der Raumladungszone selber.
Wenn die nämlich hier drin entstehen,
dann können die natürlich lesen, dann werden die sofort getrennt.
Und das ist genau der Effekt, den wir bei der Teildetektion verwenden.
Das heißt, wir bauen uns eine sehr große Raumladungszone,
indem wir hier ein sehr starkes elektrisches Verhältnis zusätzlich anlegen.
Und wenn jetzt hier ein geladenes Teilchen durchfliegt,
Hatte ich Ihnen vorhin schon gesagt,
dann kommst du zur Junisierung und bei der Ionisierung wären Elektronlochpaare erzeugt.
Das heißt, wir schaffen das Elektron aus dem Valenzband anzuheben in das Leitungsband.
Und dann haben wir hier dieses starke elektrische Feld.
Das heißt, diese Elektronlochpaare werden sofort getrennt.
Das heißt, das Elektron fliegt in die eine Richtung,
das Loch fliegt in die andere Richtung.
Und wir kamen hier in einen kleinen Stromfluss. Das heißt,
wir haben nachgewiesen, dass hier ein junisierendes Teilchen durch diese Raumladungszone durchgeflossen ist, durchgeflogen ist.
Und genau so funktioniert ein Halbleiter-Teilchen-Defektor. Der Vorteil im Vergleich zu unserem Gasdetektor ist,
dass man ganz viele von diesem PN Strukturen auf sehr,
sehr kleinem Raum bauen kann.
Das heißt, man kann eine sehr gute Ortsauflösung erreichen.
Sie erinnert sich dran, wir wollen Hits messen,
wir wollen wissen, wo ist das Haltchen lang geflogen.
Und je kleiner das Volumen ist,
in dem wir quasi sagen können, da ist es durchgeflogen,
desto besser natürlich, weil dann ist die Auflösung am besten.
Der Nachteil ist, in so einem Halbleiter kriegen wir Elektronlochpaare
eben nicht nur durch die Junisierung von geladenen Talchens,
sondern sie erinnern sich an unseren Bolzmann-Faktor, auch dadurch,
dass es Umgebungstemperatur gibt.
Das heißt, wir müssen unseren Detektor immer kühlen,
wenn wir den nicht kühlen, dann messen wir nur Rauschen.
Und dann sehen wir nicht mehr die Junisierenden Talchen.
Das ist der Nachteil in so
einem Detektor
Okay, ein Silizien-Detektor kann man in zwei Prinzipien bauen.
Das ist einmal ein Streifendetektor oder ein Pixel-Detektor,
wie der Name schon sagt, das ist einfach eine unterschiedliche Geometrie.
Hier sehen Sie, dass das Silizium in Streifen segmentiert ist.
Man hat eine feine Segmentierung in die eine Dimension und keine Segmentierung in die andere Dimension.
Und wenn jetzt hier irgendwo ein geladenes Teilchen durchfliegt,
dann wissen wir, dass es irgendwo entlang dieser roten Linie durchgeflogen ist.
Das heißt, man hat eine gute Auflösung in die
eine Richtung und eine schlechte Auflösung in die andere Richtung.
Man kann diesen Effekt aber kompensieren,
indem er nicht nur einen Streifendetektor nimmt,
sondern man nimmt zwei Streifendetektor übereinander und verkippt die leicht zueinander
Das habe ich nämlich auch schon dargestellt. Und dann
hat man hier zwei nacheinander folgende Streifendetektoren und dann ist quasi der eine Streifen
hier angesprungen und dann sehen wir noch den anderen Streifen,
der hier angesprungen ist.
Und dann ist es natürlich ein leichtes, zu sagen,
gutes Teilchen durchgeflogen ist. Nämlich genau bei dem Kreuzungspunkt.
Nichtsdestotrotz ist die Auflösung von so einem, von so einem
Streifendetektor in die eine Richtung immer schlechter als in die andere Richtung.
Der Vorteil ist, wir haben hier, sagen wir mal,
20 Streifen in diese eine Richtung und dann hier nochmal 20 Streifen.
Das heißt, wir haben insgesamt 40 Kanäle,
die wir auslesen müssen und wir kriegen einigermaßen gute Ortsauflösungen
Im Gegensatz dazu haben wir einen Pixel-Detektor und einen Pixel-Detektor
ist einfach fein segmentiert in beide Richtungen.
Also wie der Name schon sagt, es sind einfach ganz viele Pixel.
Die sind hier hundertmal 150 Mikrometer groß. Hier sehen sie
auch ein echtes Bild. Ich habe hier mal versucht reinzuzoomen,
aber ich glaube, der Beamer macht das hier nicht,
dass sie die einzelnen Pixel-Strukturen, die erkennen können.
Zum Pixel-Detektor ist viel, viel komplizierter zu fertigen,
viel komplizierter auszulesen und hat den Nachteil, dass wir hier nicht nur,
was hatte ich gesagt, 20 und 20,
also 40 Kanäle auslesen müssen, sondern was weiß ich, 20 mal 100.
Das sind dann gleich 2000 oder so. Also es hat so
ein Pixel-Effektor hat natürlich unfassbar viel mehr Kanäle, die man auslesen muss.
Aber dafür hat man halt auch einfach eine viel,
viel bessere Ortsauflösung in beiden Richtungen. Und deswegen benutzt man
diesen Detektor hauptsächlich diesen Detektor-Typ hauptsächlich sehr zentral im Inneren des Detektors.
Da, wo die Teilchenspuren sehr, sehr eng sind,
wo einfach viel los ist, wo man das sehr gut auflösen möchte,
da benutzt man Pixel-Detektoren im äußeren Bereich, da benutzt man Streifendirektoren.
Und hier sehen Sie ein kleines Bild wieder von meinem Lieblingsetektor CMS,
und zwar hier einen Streifendetektor, also oder unseren Streifendetektor,
Sie sehen hier noch das große Loch in der Mitte und
da kommen wir gleich ins Spiel und werden hier noch einen Pixel Detektor installieren.
Aber das ist die Umgebung, die äußeren Schichten,
das CMS, Streifendetektors, also der äußere Spurdetektor.
Ich hatte die ganze Zeit über Silizium geredet und hier auf
der Folie wollte ich den einmal nochmal kurz erklären,
warum benutzen wir überhaupt Silizium?
Und als ich diese Folie hier geschrieben habe,
da hatte ich erst hier stehen, Silizium gibt es,
wie Sand am Strand. Und dann irgendwann habe ich mir gedacht,
eigentlich muss ich da schreiben, Alstand am Strand,
weil Silizium liegt wirklich rum als Sand.
Sand ist nichts anderes als Silizium, nur ein bisschen in
einer ein bisschen anderen chemischen Form und über einen chemischen Prozess
kann man ganz einfach aus Sand politisch Kristallines Rohsedition bekommen.
Polykristallin bedeutet, dieses Elizium ist noch nicht in einer schönen Gitterstruktur.
Und wir brauchen eine schöne Gitterstruktur für unseren Halbleiter.
Sie erinnern sich vorhin, wir brauchten diese schöne Anordnung von Gittern,
damit das gut funktioniert. Hier, das ist Polykristallines,
Rohselithium, das ist noch nicht in dieser Gitterstruktur.
Das heißt, wir müssen noch schaffen,
dass dieses Selitium am Ende in deiner schönen Gitterstruktur rauskommt.
Und das machen wir, indem wir das Selitium einmal einschmelzen, eventuell dotieren.
Sie erinnern sich, pilotiert, endotiert, was auch immer.
Oder eben auch nicht. Dann haben wir hier einen kleinen Kristall,
einem Keimling, nennt man das, der eine sehr gute
Gitterstruktur aufweist und den taucht man einmal in diese Schmelze ein.
Und dann fängt man an,
Keimling aus der Schmelze rauszuziehen und beim Rausziehen bildet sich dann,
wächst sozusagen ein Kristall wirklich wörtlich aus dieser Schmelze heraus.
Und beim Rausziehen wächst das eben in einer christallinen Form.
Und am Ende hat man hier diese sogenannten Ingots,
die sind diese einzelnen Selitiumsterbe.
Und die sind hoch rein und haben eben eine Kristallstruktur.
Und die schneidet man dann hier noch in solche sogenannten Wafer und diese Wafer,
die benutzen wir dann, um unseren Selit zum Detektor zu bauen.
Und darum jetzt gerade Selitium. Selitium ist halt
einfach günstig, hat sehr positive chemische Eigenschaften
Es gibt einfach jahrzehntelang etablierte Prozessschritte dafür. Man kann es einfach isolieren,
man überzieht das einfach mit einer Auxidschicht und plötzlich ist dieser Halbleiter super nicht leitend.
Also es geht leider dann gar nicht mehr.
Und es ist halt auch nicht giftig oder umweltgewährend.
Im Gegenteil zum Beispiel zu sowas wie Gallium Arsenit,
das ist auch ein Halbleiter, den man verwendet,
aber der hat da deutlich mehr Probleme.
Okay, so, jetzt, wie bauen wir jetzt eine Celicium-Pixel-Detektor?
Und ich habe hier einmal eine Wunschliste aufgeführt.
Welche Eigenschaften sollte dieser Detektor haben? Und es sind so
im Wesentlichen vier Eigenschaften. Erstmal sollte er leicht sein.
Sie erinnern sich, wir wollen die Spur von Teilchen messen.
Wir dürfen keine großen schweren Materialien da reinbringen, verändern wir
die Spur ohne, und wir wollen die Spur messen.
Das heißt, wir machen Messfehler. Das heißt, der muss wirklich
leicht sein. Wir bringen keine Streuung im Depector Material.
Dann sollte er nicht magnetisch sein. Sie können sich vorstellen,
wenn sie ein magnetisches, einen magnetischen Gegenstand in 3,8 Tesla reinschieben,
da kann so einiges passieren. Hier sehen Sie,
was passiert, wenn ein Rollstuhl in einen Raum kommt mit einem NFL MRT.
Das sind auch sehr starke Magnetfilter, der wird da einfach mal reingezogen.
Das will man definitiv nicht mit seinem Pixeldetektor haben. Dann sollte der Detektor der feine Granularität haben,
weil je feiner wir messen können,
wir fallen halt die Auflösung ist, desto direkter,
desto genauer können wir die Spur wieder rekonstruieren,
weil wir genauer den Hit kennen und wenn wir den Hit genauer kennen,
können wir den die Spurparameteresse bestimmen.
Und dann zu guter Letzt müssen wir das kalt machen wegen
der thermischen Anregung, das hatte ich ja schon erklärt.
So, und hier sehen Sie einmal, wie dieser,
diese große Kamera im Zentrum von CMS ausschaut.
Wir sind ja wirklich hier im innersten Bereich.
Wir sind ja auf einer mechanischen Präzision im Submillimeter-Bereich.
Und das hier ist der CMS-Pixel-Detektor. Der eigentliche Detektor mit
den Celizium-Modulen befindet sich nur an dieser Stelle.
Hier ist der Kollisionspunkt, hier treffen die beiden Proto und
Brot und Strahlen aufeinander. Hier sind die Kollisionen,
Dann haben wir hier aber trotzdem noch einen 5-meter langen Zylinder.
Und in diesem Zylinder, hier Durchmesser sind 40 Zentimeter,
in diesem Zylinder befindet sich die ganze Elektronik für das Auslesen der Module,
die Kühlinfrastruktur und auch alle Anschlüsse zur Außenwelt.
Weil wir müssen diesen Detektor natürlich auch verbinden mit der Außenwelt.
Der Pixel-Detektor wurde dieses Frühjahr installiert. Davor hatten wir auch schon Pixel-Detektor drin.
Das war sozusagen ein Upgrade, das wir durchgeführt haben.
Und hier sehen Sie einmal einen Vergleich zwischen dem alten Pixel-Detektor und
dem neuen Pixel-Detektor. Und hier sehen Sie ganz deutlich,
der Neupixel-Detektor hat nicht nur drei Lagen, sondern hat vier Lagen.
Hier sehen sie einen Querschnitt, hier wieder vier Lagen.
Das ist der alte Detektor mit drei Lagen.
Wenn sie jetzt einer Linie vom Wechselwirkungspunkt aus folgen,
dann lernt sie immer feststellen, dass wir mindestens mindestens vier Detektorschichten durchdringen.
Und damit haben wir immer mindestens vier Hits,
die wir schon mal haben für unsere Spurreinkonstruktion.
Davor bei dem alten Detektor waren es immer nur drei und entsprechend
ist es natürlich jetzt eine Verbesserung, dass wir einen Hit mehr haben,
weil dadurch können wir die Spur noch genauer messen.
So, jetzt kommt mein großer Versuch,
das Ganze mal ein bisschen zur Physik des Alltags
zu verbinden
Jetzt alles so ein bisschen sehr abstrakt und sehr, sehr entfernt von ihrem Alltag.
Davon gehe ich mal aus. Hier ist ein Problem,
dass uns wirklich, wirklich betrifft und dass das auch ein ganz normales Alltagsproblem ist.
Also wir haben in unserem Detektor eine Randbedingung und zwar ist die Randbedingung,
dass wir die Kabel des alten Detektors noch mitverwenden müssen.
Kabel ist immer, Kabelplatz in dem Detektor ist immer,
immer mangelbarer, weil überall Doktokabel laufen kann,
man kann Detektor hinbauen und man will ja möglichst viel detektieren
und nicht irgendwie Platz für Kabel haben.
Das heißt, die Kabel wurden bei dem Upgrade nicht verändert.
Wir haben die gleichen Anzahl, die gleiche Anzahl von Kabeln,
aber wir haben fast die doppelte Anzahl von Kanälen.
Das heißt, doppelt so viel Strom und Leistungsaufnahme, das Detektor
Und wenn man sich das mal durchrechnet,
dann ist das der zu erwartende Strom pro Kabel,
sind in der Größenordnung für 20 Ampere.
Und das ist wirklich ein Problem,
in Bezug auf den Leitungswiderstand und der Verlustleitung auf dieser Leitung.
Ich habe hier einmal ausgerechnet, was ist denn der Widerstand von
so einem Kabel? Und der Widerstand von einem Kabel,
der hängt von verschiedenen Parametern ab, natürlich mit der Länge des Kabels,
je länger ich das Kabel mache,
desto höher wird der Widerstand des Kabels.
Dann indirekt proportional zum Querschnitt des Kabels. Jetzt können Sie
sich das vorstellen, wenn ich so ein richtig großes Kabel habe,
dann ist der Widerstand klein.
Deswegen, wenn Sie ein Starkstromkabel angucken,
dann hat das immer einen großen,
großen Querschnitt
Und normale Kabeln am kleineren Festschnitt. Also Widerstand ist proportional zu eins durch die Fläche.
Und dann ist es proportional zu einer Proportionalitätskonstante und das ist eine Materialkonstante.
Also das eine Material leitet besser als ein anderes Material.
Und wenn wir jetzt mal die Zahlen uns angucken,
das sind hier die Zahlen, die Originalzahlen von unseren Kabeln,
die wir im Detektor verwenden, Kabelquerschnitt,
Kabellänge ist mehr als 50 Meter,
Material ist Kupfer und dann können wir hier einmal den Widerstand ausrechnen und der Widerstand von so einem Kabel,
das sind 35 Milligum, klingt jetzt erstmal nicht so viel,
aber wir können uns mal überlegen,
was ist damit für eine Verlustleistung verbunden.
Und um die Verlustleistung auszurechnen,
brauchen wir zwei
Zwei Gesetze, die sie bestimmt alle schon mal gesehen haben.
Das eine ist das Omschuhgesetz,
sie kennen das U ist gleich RMLI, so dieses Uri.
Und dann gibt es noch ein weiteres Gesetz, die elektrische Leistung.
P, das ist der Spannungsabfall, mal der Strom,
also PSU-Mali. So, was ist jetzt die Verlustleistung?
Also Verlustleistung ist der Spannungsabfall über die Leitung,
mal der Strom, der durch diese Leitung durchfließt.
Und der Spannungsabfall entlang der Leitung ist einfach nach dem Omschen Gesetz,
RMLI, also er der Widerstand der Leitung und I ist wieder der Strom,
dadurch diese Leitung durchfließt.
Also die Verlustleistung ist ehrmalig Quadrat,
also so relativ leichte Rechnungen
Und wenn sie jetzt dann die Werte hier einsetzen,
35 Milli, oh, da müsste oben stehen,
35 Millium, mal 20 am Pärz im Quadrat,
dann kommen wir auf sowas wie 14 Watt.
Das pro Kabel haben wir einen Wärmeverlust von 14 Watt.
Und wir haben insgesamt 144 Kabeln in Benutzung. Das heißt,
wir landen bei sowas wie 1,7 Kilowatt nur an Wärmeverlust.
Und das ist natürlich eine tolle Heizung, aber eine tolle Heizung,
die keiner braucht. Und das wollen wir natürlich verhindern.
Und wir können mal überlegen, ob wir irgendwas dagegen tun können,
ob wir irgendwas dagegen tun können, dass wir so hohe Wärmeverluste haben.
Also schauen wir uns mal die Formel hier an.
Also P, die Verlustleistung ist der Widerstand,
mal der Strom zum Quadrat, Niederstand können wir nicht viel machen.
Der Widerstand ist eine Eigenschaft von dem Kabel. Und wie gesagt,
die Kabel wollten wir nicht verändern und konnten wir auch nicht verändern.
Deswegen ist das konstant. Aber was wir versuchen können,
ist, wir können versuchen, den Strom zu erniedrigen,
weil das ist natürlich die einzige Variable in diesem Spiel noch.
Und dazu müssen wir uns die Frage stellen, warum fließt denn eigentlich ein Strom?
Und was eigentlich zählt, ist, der Leistungstransport, Pixelmodule,
also der einigste Detektor, der hat eine gewisse Leistungsaufnahme.
Und das sind sowas wie 70 Watt pro Kabel. Und das heißt,
diese Leistung, die müssen wir über das Kabel transportieren.
Darum geht es. Die Leistung müssen wir transportieren,
70, warten müssen irgendwie über das Kabel.
Die Leistung selber hatten wir vorhin schon mal gesehen,
ist Umali
Und das muss konstant 70 Watt sein. So, das heißt,
wenn wir den Strom runterhaben wollen, dann machen wir einfach folgenden Trick.
Wir packen einfach die Spannung hoch. Das heißt,
wir transformieren die Spannung hoch, dadurch wird der Strom
automatisch klein, weil die Leistung muss konstant bleiben.
Und erst ganz kurz vor den Pixel-Modulen,
transformieren wir die Spannung wieder zurück auf den Betriebsspannungswert,
den wir eigentlich im Detektor brauchen. Und dieses Konzept,
das kennen Sie bestimmt alle und das ist die Verbindung zum Alltag.
Das ist nämlich das ganz normale Prinzip von Hochspannungsmasken.
Hochbahn des Masken sind, wie der Name schon sagt,
auf Hochspannung. Also man hat die Spannung hochtransformiert und dann
erst kurz vor dem Hausanschluss wird es runtertransformiert in dem Transformatehäuschen,
genau auf die Spannung,
die wir dann am Ende auch brauchen für unsere Geräte
Und genauso machen wir das ja auch.
Hier sehen Sie einmal die Kette, Kraftwerk, Leitungstransport,
Leistungstransport, Transformatorhäuschen und Endabnehmer. Wir haben hier ein Netzteil,
dann haben wir hier unsere 50 Meter lange Leitung.
Im Detektor haben wir einen Gleichstromkonverter und dann wirklich nur das letzte Stück,
wird das dann runterkonvertiert auf die Spannung, die eigentlich relevant ist.
Und damit betreiben wir dann unseren Detektor. Und obwohl dieser Konverter,
der hat, der funktioniert nicht 100 Prozent effizient,
das ist klar, weil kein elektrisches Gerät funktioniert zu 100 Prozent effizient.
Trotz dieser Effizienzverlust im Konverter kompensieren wir trotzdem
die Verlustleistung auf der Leitung selber
Und dieses Prinzip, dass sie alle kennen,
benutzen wir auch in unserem Themas Pixel-Detektor.
So, nächster Schritt ist, wir müssen den Detektor kühlen.
Also wir brauchen, müssen kalt machen. Und da würde ich
Sie kurz einladen, mit mir ein Gedankenexperiment zu machen.
Und das können Sie auch daheim sein, ausprobieren.
Das ist ein leichtes Experiment. Wir brauchen alles,
was Sie brauchen, ist Wasser, ein Topf,
ein Herd und ein Thermometer.
Und ich habe hier eine Quizfrage und wir machen jetzt gleich eine Abstimmung.
Was passiert oder wie verhält sich die Temperatur des Wassers,
bei konstanter Energie zuvor?
Also ich packe das Wasser da in diesen Topf,
erwärm das Wasser und stelle die Handplatte nie ab
Füge die ganze Zeit Energie dem Wasser hinzu. So, was passiert? A,
die Temperatur, die steigt kontinuierlich immer weiter. B,
die Temperatur steigt bis zum Siedepunkt, bleibt dann konstant und wenn alles,
was er verdampft ist, dann steigt sie weiter.
Oder C, die Temperatur steigt bis zum Siedepunkt,
dann bleibt sie konstant und ändert sich auch nicht mehr,
weil verdampft das Wasser kann nie mehr,
als die Siede Temperatur haben.
Was ist Ihre Meinung? So, wer ist für A?
Und es gibt keine Enthaltung. Wer ist für B?
Okay, und wer ist für C
Ah, das ist 50-50, würde ich sagen.
Okay. Ich sag's Ihnen, es ist Antwort B.
Können wir uns das nochmal hier angucken? Was passiert nämlich?
Das Wasser, wir füllen das hier ein mit 17 Grad,
kommt aus der Leitung und dann machen wir den Herd an.
Das heißt, die Temperatur des Wassers steigt. Irgendwann haben wir
100 Grad erreicht, das Wasser beginnt zu kochen.
Und es fängt an zu kochen und zu kochen und
das Wasser kocht bei 100 Grad.
Wir führen immer weiter Energien hinzu, aber das Wasser macht
nichts anderes, außer seinen Phasenzustand zu ändern.
Es ändert den Phasenzustand vom Flüssigen ins Gasförmige. Wir müssen
diese ganze Energie reinstecken, damit das Wasser gasförmig wird.
Das heißt, die Temperatur ändert sich hier nicht mehr
Erst wenn das Wasser komplett verdampft ist, dann wird der Wasserdampf
weiter erhitzt und dann kann der Wasserdampf wieder Energie aufnehmen.
Und die Temperatur, die Temperatur steigt. Bitte? Nee
, das ist ein Isobara-Prozess. Das hätte ich vielleicht dazusagen
müssen. Also der Druck bleibt gleich bei diesem Prozess.
Also beim Übergang vom Flüssigen ins Skasförmige kann Wasser sehr,
sehr viel Energie aufnehmen, ohne sich weiter zu erwehren.
Und es klingt ja schon so irgendwie so,
als ob man das vielleicht nutzen könnte für einen Kühlmechanismus
Für die, für die es noch nicht kompliziert genug war,
habe ich hier noch mal eine schöne Grafik.
Das nennen wir ein Phasendiagramm. Ich führe sie da durch.
Das ist nämlich relativ schön. Man kann das verstehen.
Das ist ein Phasendiagramm von Wasser. Sie sehen hier auf
der einen Achse den Druck und wir nehmen jetzt einfach mal
den Raumdruck. Wir bleiben hier nur auf dieser Achse.
Und auf der unteren Achse sehen sie den Energiegehalt von Wasser.
Und dieser Energiefunk galt von Wasser, den nennen wir NTLP. So,
wir beginnen hierbei, und ja genau, die blauen Linien,
die Sie hier sehen, das sind sogenannte Isoterne.
Überall auf diesen blauen Linien ist die Temperatur des Wassers konstant.
Das funktioniert jetzt, wir höhen Linien auf einer Wanderkarte.
Das heißt, wenn wir eine Linie kreuzen, gewinnen wir die Energie.
Es ist wie, wenn wir eine Wenn wir entlang an
der Linie laufen, dann bleibt die Temperatur konstant.
Das heißt, dann ändert sich die Temperatur nicht.
So, und jetzt gehen wir mal zu Raumdruck.
Das ist unser Beispiel. Also Raumdruck,
Sie haben den Kessel auf dem Herd stehen, Raumdruck,
ganz normaler Raumdruck beim Hector Pascal.
Wir fangen hier an bei 10 Grad. Wir fügen Energie
hinzu, also wir gehen nach rechts. Das heißt,
10 Grad, hier kommt 40 Grad, hier kommt 60 Grad.
Hier kommt 100 Grad und hier ist der Siedepunkt.
Und hier an diesem Ziedepunkt sehen Sie, ist die Linie plötzlich gerade.
Hier ändert sich die Temperatur nicht mehr. Stattdessen kreuzen wir
jetzt hier diese grünen Linien und die grünen Linien sind,
die gibt Ihnen an.
Wie viel Prozent des Wassers ist verdampft
Sie sehen hier zehn Prozent, 20 Prozent, 30,
40, bis 100 Prozent, bis das Wasser komplett verdampft
ist und erst dann klettern wir weiter in der Temperaturskala.
Erst dann wird das Wasser weiter erwärmt und hier sehen Sie dann 600 Grad zum Beispiel.
So, und genau das Prinzip möchten eigentlich zur Kühlung verwenden.
100 Grad ist natürlich zur Kühlung ein bisschen unglücklich. Aber die Frage,
es gibt nicht einen Stoff,
der vielleicht genau mit dieser Zwei-Phasen-Kühlung, also dieser Bereich,
der nimmt mir zwei Phasen, zwei Phasen-Bereich,
weil hier einfach Dampf und Wasser gleichzeitig vorkommt,
gibt es einen Stoff,
der bei tieferen Temperaturen genau dieses Verhalten hat und
den gibt es und das
Wenn wir bei minus 20 Grad,
wenn wir bei 20 Bar sind und bei minus 20 Grad,
dann funktioniert das ganz genauso.
Das heißt, wir können hier, der Detektor kann Wärme abgeben,
das ist unsere Herdplatte. Das CO2 nimmt diese Energie auf,
ändert aber die Temperatur nicht, sondern nimmt einfach die Energie auf, weil es verdampft.
Und in diesem Prinzip können wir quasi sehr, sehr effizient unseren Detektor kühlen.
Und warum machen wir jetzt diesen Aufwand, ein guter Kühlschrank,
schafft auch minus 20 Grad, könnte man ja jetzt sagen.
Das ist natürlich richtig, aber CO2 hat einfach eine
sehr gute Wärmekapazität in diesem Zwei-Phasen-Bereich.
Das heißt, wir haben einfach eine wahnsinnig effiziente Kühlleistung
Wir haben sehr wenig Material in Detectors. Sie sehen hier,
das sind die kleinen Röhrchen, durch die das CO2 geleitet wird.
Das sind wirklich minikleine Rohre durch die 20 Bar, CO2 geschossen wird.
Und ich möchte mich noch mal kurz daran erinnern,
wir wollen einen Detector bauen, der leicht ist.
Das heißt, möglichst wenig Material. Das heißt,
dünne Rohre ist genau das, was wir wollen.
Das sind keine großen Kühlrohre oder so, sondern ganz dünne Röhrchen.
Und es ist eine robuste Technik,
weil wir gar keine aktiven Komponenten im Detektorvolumen haben.
Wir haben wirklich nur diese Rohre durch die CO2 strömt und die ganze Technik,
die sitzt in einem Bereich,
den wir auch gut erreichen können und warten können,
einfach in einem Nebenraum neben dem Experiment.
Und hier kommt man gut rein und kann dann
Wartungen durchführen
Okay, so, jetzt haben wir über Kühlung geredet,
jetzt haben wir über Power geredet, zu guter Letzt reden
wir jetzt auch noch mal ein bisschen über die Module,
also die eigentlichen Detektor-Komponenten.
Es gibt der ganze Detektor, der besteht aus kleinen Celizium-Detektor-Modulen und hier sehen Sie,
es gibt drei verschiedene Typen. Und ja, ein Typ,
der ist für die innerste Lage zuständig, Lage 1,
da haben wir 96 Module, dann haben wir einen Typ,
der ist gebaut für Lage 2, 3 und 4 von unserem Pixel-Detektor.
Hier war auch die Uni Hamburg und insbesondere unsere Arbeitsgruppe maßgeblich mit beteiligt,
weil die Hälfte dieser Module,
die man für Lage 4 braucht, 112 Module,
die wurden hier in Hamburg in unserer Arbeitsgruppe hier zusammen mit unseren Kollegen gebaut.
Und dann haben wir hier noch 672 Module, die im Vorwärtsbereich,
also in den Vorwards-Discs von dem Detektor sich befinden.
Also alles in allem haben wir so,
dass die 1.800 Module, ein Modul hat 66.560 Pixel.
Und wenn man das ausrechnet, dann stellen sich fest,
dass ich sie belogen habe im Titel.
Ich erkläre ihnen nämlich nicht, wie man eine
130 Megapixel-Kamera baut, sondern nur eine 123 Megapixel-Kamera.
Also wir haben hier 123 Millionen, 535.360 Pixel in
unserem Detektor
Okay, und zu guter Letzt ist dann die Frage,
wie kriegen wir die Daten aus diesem Detektor raus?
Also, wir haben hier den Detektor,
ich habe da hier mal so ein kleines Bild wieder hingemacht.
Und wir kriegen da ein elektrische Signale. Ich hatte ihnen gesagt,
wenn dann irgendwas ein Teilchen durch unsere Raumladungszone durchfliegt,
dann haben wir da einen kleinen elektrischen Puls und den messen wir.
Und dann kommt ein elektrisches Signal raus.
Jetzt ist unsere Auslese-Elektronik dummerweise nicht direkt neben dem Experiment,
sondern die ist gut 100 Meter entfernt vom Experiment.
Das heißt, wir müssten ein elektrisches Signal über 100 Meter transportieren.
Und wenn sie sich ein bisschen mit Signaltransport auseinandersetzen,
dann wissen sie, dass 100 Meter Signaltransport nicht unbedingt eine
schöne Sache ist, wenn es elektrisch funktioniert.
Also weil man immer Probleme mit Dämpfungen, das Signal wird immer schlechter.
Deswegen möchte man das eigentlich nicht mehr möchte. Das Signal,
das elektrische Signal, wie es aus dem Detektor kommt,
möglichst schnell umwandeln und ein Signal,
das man auch über weite Strecken transportieren kann.
Und das ist ein optisches Signal. Also wir haben hier
noch im Detektor einen sogenannten Opto-Konverter oder ganz viele Opto-Konverte.
Da kommt hier auf kurzer Distanz,
also das sind hier irgendwie 40 Zentimeter,
kommen die Kabel von unseren Modulen in die Opto-Konverte rein und
das elektrische Signal wird dann umgewandelt in ein optisches Signal.
Und dieses optische Signal kann dann über Glasfasern,
über mehrere hundert Meter transportiert werden,
ohne dass wir einen signifikanten Verlust dort haben
Ja, sie wissen ja, vielleicht von ihrem Internetanschluss,
wenn sie Glück haben daheim und sie haben einen Glasfaseranschluss daheim,
dann wissen sie,
dass das nicht nur über ein paar hundert Meter geht,
sondern sogar auch über ein paar Kilometer,
ohne oder tausende von Kilometern sogar, ohne Verluste.
Ja, und zu guter Letzt dachte ich, ich erkläre Ihnen
noch einmal kurz, wie funktioniert denn eigentlich so ein Lichtwellenleiter?
Und dann sind wir eigentlich auch fertig. Das einfach,
also ein Lichtwellenleiter, um zu verstehen, wie so ein Lichtwellenleiter funktioniert,
brauchen wir ein physikalisches Gesetz und das ist das snellische Brechungsgesetz.
Und das haben Sie vielleicht schon mal gesehen, das besagt einfach,
wenn wir hier einen Übergang haben von einem Medium in ein anderes Medium.
Beides sind optisch transparent. Dann hat man hier so einen Einfallswinkel von
irgendeinem Strahl und hier irgendwie einen Ausfallswinkel von einem Strahl und die Einfalls- und Ausfallswinkel,
die verhalten sich so, wie diese Formel hier angibt.
Also wir haben einen Brechungsindex in 1,
mal den Sinus von dem Winkel in dem Medium 1.
Das ist genau das Gleiche wie der Brechungsindex im Medium 2,
mal dem Stinus vom Austrittswinkel im Medium 2.
Damit wir jetzt Licht in ein Kabel transportieren können,
müssen wir jetzt sicherstellen, dass das Licht uns nicht abhaut.
Das Licht, das muss im Medium bleiben.
Das heißt, es muss in Medium 1 bleiben,
es darf nicht in Medium 2 rein
Das heißt, wir müssen irgendwie schaffen, dass dieser Winkel
Alpha 2, 90 Grad, mindestens 90 Grad ist.
Und wenn wir das schaffen, dass Alpha 2 mindestens 90
Grad ist, dann haben wir keinen gebrochenen Anteil mehr.
Das heißt, dann bleibt nur noch eine Reflexion übrig.
Jetzt können wir hier in dieser Formel einfach mal diesen Grenzfall einsetzen.
Alpha 2, das hier, das setzen wir über 90 Grad,
Sinus von 90 Grad, ist einfach eins.
Und dann kann man diese Formel hier leicht umstellen.
Sinus Alpha 1 ist, N2 durch N1. So,
und wann kann Sinus, wenn Sie sich einmal daran erinnern,
Sinus ausschaut, der ist nur gültig zwischen, wir hatten minus eins und eins.
Und damit diese Formel irgendwie überhaupt erfüllt werden kann,
muss N2 kleiner sein als N1, weil sonst hat man hier einen Wert,
der Größe 1 rauskommt und Zinus von irgendeinem Winkel, muss immer klein als eins sein.
Das geht gar nicht anders. Das heißt, diesen Grenzfall,
den bekommen wir, den wir dann auch total Reflexion nennen,
der funktioniert nur dann, wenn N1 größer ist als ein,
zwei, als der Brechungsindex von dem Medium,
in dem wir uns befinden, muss größer sein,
als das Unterbrechungsindex von dem Medium,
in das wir nicht rein wollen.
Also wir müssen immer hier ein dichteres optisches Medium haben und
hier ein optisch sozusagen dünneres Medium.
Nur dann können wir einen Lichtwellenleiter bauen
Und jetzt sehen Sie einmal, wie so ein Lichtbällenleiter aussieht.
Hier ist einmal so eine schematische Zeichnung. Im Zentrum
befindet sich der Kern, das ist die eigentliche Phase,
da wird das Licht transportiert, hier haben wir das N1.
Dann haben wir hier ein weiteres optisches Medium,
denn das nennt man den sogenannten Mantel,
das ist N2. Und wichtig ist jetzt, wie gesagt,
das N1 größer ist als N2.
Und wenn das der Fall ist,
dann kann dieses Licht hier munter an den Länden,
an diesen Übergängen reflektiert werden und so verlieren die nie das Licht.
Das heißt, das Licht,
das wird hier nie raustreten und kann hier über Kilometer und
Kilometer in diesem Kabel transportiert werden
Hier sehen Sie, wie so ein Glasfaserkabel ausschaut.
Bei uns im Experiment benutzen wir,
also ein Kabel besteht dann immer aus mehreren Lichtwellenleitern zusammengefasst.
In unserem Experiment benutzen wir zwölf Fasern in einem Kabel und
hier sehen Sie dann, wie so ein Stecker aussieht.
Da haben Sie dann diese ganz vielen einzelnen Fasern, die da rauskommen.
Und das ist wirklich, das ist wirklich massenwahre,
dass Pöter Gänse in den Laden und können einfach so ein
Kabel kaufen und da gibt es Steckverbindungen und Sie stecken ein Kabel hier rein,
anders da rein und haben da eine Glasfaserverbindung.
Das ist wirklich kein Hexenwerk mehr. Aber es ist in der heutigen Nachrichtentechnik,
aber eben auch in unserem Experiment nicht mehr wegzudenken.
Also Lichtwellenleiter brauchen wir an allen Ecken und Momenten
Okay, zum Abschluss, zum Entspannen zeige ich Ihnen noch mal
ein paar Bilder jetzt von unserer Installation, von unserem Detektor,
also von der Konstruktion und Installation des Detektors.
Das hier war der Zustand des Detektors in 2015. Wir haben
ganz viele einzelne Komponenten. Das ist der Zustand heute ein
einigermaßen okayes Müsli. Aber wie wir da hingekommen sind,
das ist einmal hier dargestellt. Der Detektor wurde in zwei Schritten gebaut.
Einmal der eigentliche Detektor, also dieser Selicium-Detektor mit den Selicium-Modulen,
sehen hier, das ist ein Modul.
Man hat hier ganz viele Modulen in solche Halbschalen gepackt.
Sie sehen hier jedes von diesen Dingern ist ein Modul
Jetzt eine Schale, eine Lage. Wir haben insgesamt nicht nur eine Lage,
sondern wir haben vier Laden und die können sie jetzt hier vielleicht erahnen.
Aber was sie auch sehen, sind hier diese Kupferkabel,
die da rauskommen. Diese Kabel, die gehen direkt in den Optokonverter
und werden so schnell wie möglich in optische Signale umgewandelt.
Die Optokonverter und alle Support-Elektronik, die befindet sich hier in
dieser Supply Cube. Und hier sehen sie auch viele Komponenten,
über die wir jetzt schon geredet hatten.
Hier sehen sie zum Beispiel diese dünnen kleinen, winzig kleinen Röhrchen.
Das sind die CO2-Kühlrohre. Also hier läuft unser CO2 durch und sie können sich vorstellen,
dass es natürlich der Wunsch eines jeden Spuren Retector,
Konstrukteurs, weil das ist wirklich fast nichts an Material.
Das ist genau das, was wir wollen in einem Spurdetektor.
Dann kann man das Ganze hier noch weiter ausstatten mit Elektronik.
Dann kommen hier ganz viele Glasfasern raus. Hier sehen Sie
, das sind hier die Glasfasern. Hier die Verlängerungskabel,
man kann die wirklich zusammenstecken, die Verlängerungskabel.
Hier noch ein bisschen unordentlich, hier dann schon für den Transport fertig gepackt.
Und im Januar 2017 sind diese beiden Komponenten,
die Supply Tube und der Detektor zusammengekommen und haben dann einen zusammengehörigen Detektor gebildet.
Und hier sehen Sie, wie die Hälfte von unserem zentralen Pixel-Edector
gerade hier durch die Halle schwebt. Das ist ein Moment,
wo wir alle so ein bisschen unruhig waren,
weil da hängt natürlich nicht nur enormer Sachwert,
sondern auch wahnsinnig viel an Herzblut und Arbeit drin.
Ja, noch schlimmer ist natürlich dieses Bild, das ist dann das Bild,
als der Detektor über dieses große Loch gehoben wurde,
um den Detektor runter in die Untergrundhalle zu bringen.
Hier sehen Sie schon, wie er unten ankommt,
das ist hier im Hintergrund, sehen Sie CMS.
Hier mussten wir einmal absetzen, umladen,
weil da unten ist ein anderer Kran und das dann final an sein Finale,
an seinen finalen Bestimmungsort zu bringen.
Das geht hier hoch, einmal auf eine Arbeitsplattform.
Hier sehen Sie jetzt auch nochmal hier dieses dieser Teil,
das ist der Teil, wo der eigentliche Detektor sich befindet,
der ganze Rest hier, das ist nur die Supply Tube,
also dort, wo die ganze Hilfeselektronik aufbewahrt wird.
Ja, und das ist dann der Moment,
kurz bevor der Detektor hier ins Herz von CMS reingeschoben wird,
also sie müssen sich vorstellen, hier drei Meter hier rein, dort wurden Hexposonen produziert.
Also das ist der Ort, wo wirklich die Kollision stattgefunden hat,
wo man x-posonen vor drei, vier Jahren erdeckt hat.
Die Installation selber ist auch ganz witzig,
sie hatten diesen Käfig gesehen,
den wir runtergelassen haben und hier gibt es jetzt hier so
ein Schienensystem und wir haben hier wirklich einfach ein Schienensystem,
dass der ganze Detektor, der befindet sich auf Rollen,
man kann den nicht einmal verbinden mit dem mit dem Herz von CMS und dann schiebt man den einfach rein.
Und wenn man nicht aufpasst, dann ist das passiert,
bevor man hingeguckt hat, weil das dauert hier irgendwie 40
Sekunden und dann ist ja der Detektor verschwunden.
Man ist ja plötzlich installiert und ja, weg.
Hier eine letzte Folie zu dem Detailgrad in unserer Computersimulation.
Wir haben das natürlich auch alles vor sehr, sehr detailliert studiert,
damit dann am Ende bei der Installation auch nichts schief geht,
zu sehen, hier eine Cut-Zeichnung von dem Patch-Bereich,
also dem Bereich, wo die Detektor-Anschlüsse sich befinden.
Sie sehen hier den Detailgrad und ich habe hier mal in diesem Bereich hier reingezoomt,
sehen Sie hier, das sind die wieder sehr bekannten CO2-Röhrchen,
wo das CO2 zwei durchfließen, sie sehen,
das ist eine Computerzeichnung.
Also das ist wirklich der Detailgrad, in dem man sich
vorher überlegt hat, wie die Leitungen da wirklich verlegt werden.
Hier sind dann Kollegen, die gerade diese Kühlleitungen anschließen und so sieht es am Ende aus.
Und wenn sie das Bild mit dem hier vergleichen,
dann sehen sie, da wurde einiges richtig gemacht bei der Cut-Zeichnung.
Ja, und das ist dann das echte Bild.
So sieht alles dann fertig aus, wenn alles fertig angeschlossen ist.
Auch wieder alte Bekannte. Hier unten gehen unsere CO2-Kühlung,
geht hier rein in den Detektor. Hier diese grünen Kabel,
das sind unsere Power-Kabel, da läuft die Leistungen rüber.
Und diese Kabel hier, vor allem diese Steckverbindung hier und
dann die gelben Kabel, das sind die Glasbasis.
Und da kommen dann wirklich die Daten raus,
die dann in unserem Counting rum übertragen werden und dort dann weiterverarbeitet werden.
Genau, das war medial auch ein Riesenevent. Sie sehen hier,
ich habe hier ein paar Zeitungs- und Online-Artikel-Ausschnitte mal abgebildet,
zum Beispiel hier BBC hat sich dafür interessiert, Daily Mail,
die Weltmaschine und wir hatten auch von CMS selber eine kleine Videoinstallation da unten,
um die Installation von dem neuen CMS-Pixel-Etector auch medial würdig
zu begleiten und das hat auch wirklich sehr gut funktioniert
Ja, und so guter Letzt, dann möchte ich sie
natürlich nicht entlassen, ohne ihnen mal zu zeigen,
wie sieht es tatsächlich aus, wenn wir dann Spuren messen.
Also wir haben das jetzt alles sehr abstrakt uns angeguckt.
Wir haben selber mal versucht, solche Spuren zu rekonstruieren.
Hier sehen Sie jetzt, wie das in einem Experiment aussieht.
Das sind erste Kollisionen, die im Mai stattgefunden haben.
Die ersten Kollisionen, Brot und Brot und Kollisionen im Mai 2017 mit dem neuen Pixel-Detektor.
Und Sie sehen jede gelbe Linie ist eine Spur.
Also wir hatten Probleme vorhin mit den sieben Spuren.
Sie sehen, das sind einige Mehrspuren in so einem Ereignis.
Und es geht noch schlimmer. Im Oktober haben wir
dann Xenon gerne aufeinander geschossen. Und ich sagte schon,
Xenon, Xenon, da ist noch ein bisschen mehr los
als bei Brot und Brot
Ton. Aber nichtsdestotrotz, unser Spurdetektor,
sowohl der Pixel-Detektor als auch der Streifendetektor, haben erstklassig gearbeitet.
Sie sehen hier, das sind hunderte von Spuren,
die alle rekonstruiert wurden mit unserem Detektor ohne Probleme.
Gut, damit komme ich zu meiner Zusammenfassung und der Hoffnung,
was hängen bleiben sollte bei Ihnen. Und das sind vier
große Punkte. Und zwar, warum benutzt man Hochspannungsleitungen zum Energietransport?
Wie funktioniert so eine Halbleiterdiode im Handy? Welche Temperatur hat
verdammt offen das Wasser, wenn man es beide heizt?
Und zu guter Letzt, wie kommt Licht durch einen Lichtwind
leider? Und natürlich Wäre mir sehr viel daran gelegen,
wenn Sie natürlich auch noch wüssten, was hat das alles
zu tun, mit einem Pixel-Etektor am Ende ziehen.
Dankeschön. Gibt es Fragen? Ja. Das ist
der einzige, der das alles hört.
Das ist das,
was da noch sind
Nee, natürlich hat das einen Sinn. Also es gibt natürlich ja auch
ganz viel Physik, die man machen, also Physik,
die man untersuchen kann, die man einfach genau messen möchte.
Also wir haben ja Standardmodell,
hatte ich denen schon beschrieben und da gibt es einige,
also gibt es sehr viele freie Parameter und diese freien Parameter,
die möchte man zum Beispiel sehr genau kennen und sehr genau messen,
weil das schränkt gerade auch, wenn man neue Theorien entwickeln möchte,
diese neuen Theorien noch weiter ein.
Das heißt, wenn wir Teilthemenmusik machen, haben wir
immer zwei Möglichkeiten. Entweder wir suchen nach dem neuen,
wir suchen wirklich nach Neuland und versuchen dann neue Teilchen zu finden oder wir versuchen,
bestehende Physik einfach noch präziser zu messen,
weil dadurch haben wir noch präzisere Vorhersagen und diese noch präziseren Vorhersagen,
die sind Randbedingungen für neue Theorien.
Und zum Beispiel, jetzt zum Beispiel das Hixposon,
das war erst Neuland, das heißt, wir haben es jetzt neu entdeckt,
das war damals noch Kategorie A, wir wollen wirklich Neuland finden.
Jetzt sind wir, jetzt ist Hixphysik in Kategorie B gewandert.
Also jetzt versuchen wir, das Hix so genau wie möglich zu vermessen.
Wir versuchen die Masse so genau wie möglich zu vermessen.
Wir versuchen, die Kopplungen so genau wie möglich zu vermessen,
weil all das kann uns auch den richtigen Hinweis geben,
in welche Richtung wir gucken müssen,
um neue Physik zu finden
Ja, oder? Ja. Das ist eine sehr gute Frage
. Ich glaube nicht, nee. Ich glaube nicht,
nee, ich glaube, der wird nicht vollständig unisiert.
Ich kann Ihnen aber nicht sagen, wie viel,
wie vielfach. Ja, ich habe eine geladene Frau.
Die Mütter, die der stolz. Neutronen haben keine Ladung
, aber wir benutzen Protonen
Wir kollidieren Protone. Genau. Also mit Neutronen würde das
nicht funktionieren, das ist richtig. Wir brauchen für die Beschleunigung,
brauchen wir, müssen die Teilchen, die wir beschleunigen wollen,
die müssen elektrisch geladen sein.
Aus zwei Gründen, weil einerseits wollen wir die Teilchen beschleunigen
und zum Beschleunigen benutzen eine elektrische Felder.
Und elektrische Felder wirken nur auf Teilchen, die auch selber eine Ladung haben.
Aber wir wollen die Teilchen ja auch in eine Kreisbahn bringen.
Wir wollen die ja immer wieder nutzen, die sollen ja rumkommen.
Und damit die rumkommen, da benutzen wir magnetische Felder.
Da haben wir sehr starke Magneten, die sorgen dafür,
dass die Teilchen um die Kurve fliegen.
Und da gilt das Gleiche, wenn die Teilchen keine Ladung hätten,
dann würden die einfach gegen die Wand fliegen und würden nie
im Kreis einmal rumkommen.
Deswegen,
wir können nur Protonen verwenden
Ja. Der Besucher zu entsprachen, wo wir nicht
die Diagramme, die Passala, was ich gesagt habe.
Oh, Google Bildersuche, Phasendiagramm Wasser. Kann ich ihm
gleich nochmal sagen. Ja, ich bin mir ziemlich sicher,
ich habe einige Copyrights in diesen Vortrag verletzt, dass mir sich hier hinterher schicken.
Ja, genau, ich werde hier geladen,
dann habe ich mich gerade wieder hängen zu bleiben.
Hier, bitte? Was geht denn da, die geladenen Atomen daran,
die Pilotmeter Nichts, die machen auch ein kleines Signal im Mekal.
Also die fangen an, also ein hadronisches Kalometer ist so gebaut,
dass eine hadronische Wechselwirkung, die Wechselwirkung ist, die quasi zuschlägt,
um die Teilchen abzubremsen. Es fängt schon an,
im elektromagnetischen Kalometer, dass die dort schon anfangen,
ein bisschen Energie zu verlieren, aber der eigentliche Schauerprozess,
das ist das, was beim Abbremsen passiert, ist,
dass die Teilchen werden gestoppt und bilden dann sekundären Terzier und was auch immer für Teilchen,
das passiert eben erst im hadronischen Kaloruniter.
Aber man ist nicht so,
dass man nicht im elektromattenewischen Kalorumeter schon erste Spuren sehen würde
Ja, bitte. Ich mache ja die gleiche,
wenn du da an der Decke hast, mit dem Textor heißen.
Die Protonen. Die Protonen. Sie meinen,
weil die so relativistisch sind oder... Genau.
Okay, da begeben wir uns jetzt auf eine Grundsatzdiskussion.
Sehr oft wird in der Schule beigebracht,
dass die Masse zunimmt, wenn Teilchen schneller werden.
Das ist meiner Philosophie und meiner Überzeugung nach falsch.
Eine Masse ist eine konstante Teilchen, hat eine Masse und diese Masse hat es.
Der Punkt ist, das Teilchen, die Energie und der Impuls,
die verhalten sich nicht mehr linear, wenn wir sehr,
sehr schnell sind. Das heißt,
das Teilchen kriegt immer mehr Impuls oder ich weiß nicht,
wie rum, immer mehr Energie oder Impuls,
aber der Impuls kommt nicht mehr so schnell nach.
Das hat aber nichts damit zu tun, dass das Teilchen plötzlich schwerer wird.
Es hat nur was damit zu tun, dass diese klassische Überzeugung,
dass Impuls und Energie sich linear verhalten sollte,
einfach für schnelle, hohe Energie nicht mehr gültig ist.
Aber die Masse selber würde ich jetzt mal behaupten,
ist eine konstante,
ein Teilchen behält immer
seine Masse
Gott setzte Wasserleben, was muss aufbauen oder was kann.
Ja, sehr gute Frage. Nee, also unsere Detektoren
sind so ausgelegt, dass wir nichts verändern müssen.
Das heißt, wir versuchen einfach ein großes Spektrum an interessanten Ereignissen zu sammeln.
Also Teilchenphysik ist immer eine statistische Besieg. Das heißt,
wir sammeln einfach so lange, so lange Ereignisse,
bis wir statistische Aussagen machen können.
Wir können nie aus einem einzelnen Ereignis sagen,
das war jetzt das und das.
Wir können immer noch sagen, mit so und so vielen
Prozent Wahrscheinlichkeit ist in diesem Ereignis das und das passiert
Genügend von diesen Ereignissen zusammennehmen, dann ist eine statistische Signifikanz
da, dass wir wirklich Aussagen machen können.
Und die Frage ist jetzt, welche Ereignisse möchten abspeichern?
Das ist die große Politik, die wir betreiben.
Also wir können, wir haben eine Kollisionsrate beim LAC von 40 Megahertz.
Das heißt, alle 25 Nanosekunden kollidieren Teilchen. Das bedeutet,
wir haben Datenraten mit jenseits von Gut und Böse.
Das heißt, das kann kein Mensch abspeichern.
Wir müssen irgendwo eine Selektion machen. Wir müssen irgendwo sagen,
welcher diese Daten möchten wir tatsächlich speichern und später mal analysieren
können und welchen nicht
Es gibt ganz viele verschiedene Arbeitsgruppen, die ganz viele
verschiedene Interessengebiete haben. Und die kämpfen alle darum,
genau ihre Signatur in diesen sogenannten Trigger, das ist das System,
das darüber entscheidet, ob ein Ereignis aufgezeichnet wird oder nicht.
Ihre Signatur in diesen Trigger reinzubekommen,
weil nur wenn diese Signatur im Trigger auch vorhanden ist,
dann werden die Ereignisse abgespeichert und dann kann die Arbeitsgruppe das im Nachhinein noch analysieren.
Wenn das nicht so ist, dann kannst du die Ergebnisse
nicht analysieren, weil einfach die Daten nicht da sind.
Aber die Entscheidung ist sozusagen nicht,
wir bauen nicht unser Experiment um,
sondern die Entscheidung ist,
was speichern wir ab
Ja. Das schmeiße ich jetzt mal durch den Strahlschaden in der Mitte.
Oh ja. Ja, das ist eine sehr gute Frage.
Darüber habe ich gar nicht geredet. Strahlenschaden ist ein großes Problem. Ich meine,
wir haben hier Strahlendosen, die sind wirklich,
also sind Dosen, die bisher noch nicht im Produktivbetrieb,
also Direktoren im Produktivbetrieb benutzt wurden.
Und wir haben zum Beispiel jetzt die innerste Lage von unserem Pixel-Detektor,
da ist schon ganz klar, dass die austauschen werden lassen.
Wir haben Ende nächsten Jahres einen längeren Shutdown,
wo dann zwei Jahre lang LAC einfach Pause hat,
weil die selber ihren Beschleuniger erneuern müssen und verbessern wollen.
Und in der Zeit werden ja die innerste Lage von unserem Detektor
ersetzen, mit einer neuen, also eigentlich nur Nachbau.
Einfach deswegen, weil die Strahlenschäden in der ersten Lage,
die halt ganz nah an Kollisonen dran sind, einfach zu hoch sind.
Und dann werden wir das andere setzen.
Aber das ist definitiv ein Punkt. Also Strahlen,
Background ist bei all diesen Detektoren,
die ich heute gezeigt hatte,
definitiv ein wichtiger,
wichtiger Punkt
Ja, guter Punkt. Also Geld natürlich. Nein,
aber der eigentliche Punkt ist der, dass LAC wurde in
einen Tunnel gebaut, der schon existiert hat. Also LAC,
der Beschleuniger, in diesem Tunnel befand sich ein anderer Beschleuniger,
das war der sogenannte LEP oder Lab-Lebbeschleuniger,
da hat man Elektronen und Positronen aufeinander geschossen.
Also ein bisschen eine andere Physik, die man da macht,
nicht Proton auf Proton, es sind nicht so große Quark-Säcke,
die man da aufeinander schießt,
sondern da war es ein Elektron und Positron,
das untereinander geschossen hat.
Und dieser Beschleuniger, der war in einem Ring und man
hat dann an dem Schleuniger ausgebaut,
aber hatte den Ring noch.
Und deswegen hat man
diesen Ring einfach wieder verwendet
Und habe dann da diesen Large Huttron-Colade eingebaut.
Ja. Guck mal, da habe ich das Pixel erwähnt.
Wie er jetzt auslöst oder auch, dass ich mir das
mal gebraucht habe. Ja, auch gute Frage.
Natürlich kann man die nicht mit 40 Megals auslesen. Nee,
aber also Auslesen ist, also der Chip selber,
der dafür zuständig ist, um die Ladung zu detektieren,
quasi am Pixelmodul selber, der hat einen Pufferspeicher.
Das heißt, der speichert Hits,
Aber es werden nicht alle von diesen Hits ausgelesen.
Erst wenn dann von im Nachhinein von außen eine Triggerentscheidung kommt,
dann werden gewisse aus einer ganz langen Liste in den Pufferspeicher
gewisse Einträge rausgeschickt oder halt eben gelöscht.
Ja, bitte. Ja, jetzt kommt alles weiter.
Das große Ziel, das hatte ich versucht,
auf Slight 3 oder so zu motivieren.
Also wir haben immer noch die großen Fragen,
die noch nicht geklärt sind.
Also das sind wirklich existenzielle Fragen auch einfach.
Wo kommen wir her?
Warum gibt es mehr Materie im Universum
Warum gibt es überhaupt die Welt? Warum gibt es
das Universum? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?
Was ist denn diese dunkle Energie? All diese Fragen,
die, es ist sehr, sehr unbefriedigend für uns,
dass wir ein Modell haben,
das auf der einen Seite unsere Natur so gut beschreibt.
Aber auf der anderen Seite so große Missstände hat in diesen großen Fragen.
Und das ist natürlich für uns super, super frustrierend.
Und diese großen Fragen, die versuchen wir noch zu beantworten.
An denen sind wir dran. So, wir
beantwortet sind. Nee, nee
Nee, nee, davon gehe ich nicht aus. Gute Forschung,
gute Forschung generiert immer mehr Fragen, als sie beantwortet.
Ja. Gibt es noch dringende Fragen? Ansonsten,
ich denke, wir sind schon auch über die Zeit.
Dann vielen Dank für ihr Interesse und schöne Weihnachten