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H. Kolanoski, Urknall im Labor 121. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Der Urknall im Labor -Der Urknall im Labor -
Teilchenphysik bei den höchsten Energien
Hermann Kolanoski, Humboldt-Universität zu Berlin
H. Kolanoski, Urknall im Labor 221. Sept. 2007 - Tage der Forschung
… worüber ich berichten will:… worüber ich berichten will:
Gigantisch:• Large Hadron Collider• Detektor• Datenströme• Datenverarbeitung
Warum:• Hohe Energien• Forschungsziele• unser Universum verstehen
Soziologie:• internationale Kollaborationen• Management• Kommunikation• Individuen in der Menge
H. Kolanoski, Urknall im Labor 321. Sept. 2007 - Tage der Forschung
CERN, der Large Hadron Colliderund seine Experimente
CERN, der Large Hadron Colliderund seine Experimente
H. Kolanoski, Urknall im Labor 421. Sept. 2007 - Tage der Forschung
LHCLHC
Proton-Proton-Collider LHC : 27 km lang
100 m unter der Erde
Schwerionen, pp
ALICE
B-Physik,CP-Verletzung
UniverselleDetektorenUniverselleDetektoren
CMS+TOTEM
ATLAS
H. Kolanoski, Urknall im Labor 521. Sept. 2007 - Tage der Forschung
• CERN ist das weltweit größte Zentrum für Teilchenphysik
• was Teilchenphysiker suchen::- elementaren Bausteine der Materie - die fundamentalen Kräfte, die alles
zusammenhalten
• dazu braucht die Teilchenphysik:- aufwendige Apparaturen um neue Teilchen zu erzeugen und zu untersuchen
Was ist CERN?
CERN is:-~ 2500 staff scientists(physicists, engineers, …)- Some 6500 visitingscientists (half of theworld's particlephysicists)
They come from500 universitiesrepresenting80 nationalities.
CERN
H. Kolanoski, Urknall im Labor 621. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Von der Entdeckung des Elektrons bis …Von der Entdeckung des Elektrons bis …
… bis zu der Entdeckung des Higgs, SUSY, Extra-Dimensionen …
H. Kolanoski, Urknall im Labor 721. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Die ATLAS-KollaborationDie ATLAS-Kollaboration
H. Kolanoski, Urknall im Labor 821. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Die Motivation …Die Motivation …
H. Kolanoski, Urknall im Labor 921. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Entwicklung des Universums
Standardmodelle:Kosmologie und Teilchenphysik
Standardmodelle:Kosmologie und Teilchenphysik
Alles verstanden? Es bleiben Fragen: Higgs, Dunkle Materie, Quantentheorie der Gravitation, ….
H. Kolanoski, Urknall im Labor 1021. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Warum hohe Energien?Warum hohe Energien?
Energie: - Abtasten von Strukturen- Aufbrechen von Strukturen- Erzeugung von neuer Materie: E=mc2
OrtsauflösungMikroskop: 10-6 m
Δx = h/ Δp
E=mc2
ProtonProton
OrtsauflösungLHC: 10-20 m
H. Kolanoski, Urknall im Labor 1121. Sept. 2007 - Tage der Forschung
HIGGS-TeilchenHIGGS-Teilchen
Die Teilchen in den 3 Familien unterscheiden sich nur in ihrer Masse.
Schöne Symmetrie, wenn alle Teilchen keine Masse hätten.Warum haben die Teilchen Masse?
Antwort der Theoretiker: Higgs-Teilchen „gibt“ allen Teilchen Masse
Wie kann man das verstehen????
Masse ⇔ Trägheit
Der britische Wissenschaftsminister wollte das auch verstehen, bevor er das Geld für den „Large Hadron Collider“
locker macht ……..
H. Kolanoski, Urknall im Labor 1221. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Wie die HIGGS-Teilchen träge machenWie die HIGGS-Teilchen träge machen
Masse ⇔ TrägheitParty: Gäste erwarten
Angela … Angela kommt –
Wellenbewegung in Richtung TürGäste suchen die Nähe
von Angela
Angela wird unbeweglich –bekommt MasseGäste = Higgs-Feld
Angela = massives Teilchen
H. Kolanoski, Urknall im Labor 1321. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Dunkle Materie und …Dunkle Materie und …
Mikrowellenhintergrund(Nobelpreis 2006)
Rotationskurven von Galaxien Dynamik von Galaxienhaufen
H. Kolanoski, Urknall im Labor 1421. Sept. 2007 - Tage der Forschung
… und Supersymmetrie… und Supersymmetrie
„Neutralinos“ sind Kandidatenfür Dunkle Materie
stabiles LSP„lightest SUSY particle“
H. Kolanoski, Urknall im Labor 1521. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Suche nach ‚Extra-Dimensionen‘Suche nach ‚Extra-Dimensionen‘
Basic idea : solve hierarchy problem MEW / MPlanck ~ 10-17 bylowering gravity scale from MPlanck ~ 1019 GeV to MD ~ 1 TeV
Possible if gravity propagates in 4 + n dimensions.
Mini Schwarzes
Loch
H. Kolanoski, Urknall im Labor 1621. Sept. 2007 - Tage der Forschung
ForschungsprogrammForschungsprogramm
Suche nach
• nach Supersymmetrie (→ Dunkle Materie?)
• dem Higgs-Teilchen
• Extra-Dimensionen
Antworten auf die offenen Fragen der Teilchenphysik und der Kosmologie- also unserer Welt
• … dem Unerwarteten
H. Kolanoski, Urknall im Labor 1721. Sept. 2007 - Tage der Forschung
ApparaturenApparaturen
H. Kolanoski, Urknall im Labor 1821. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Maschine: Large Hadron Collider (LHC)Maschine: Large Hadron Collider (LHC)Ablassen des ersten Dipolmagneten in den Tunnel im März 2005
… und der 616. Magnet von insgesamt 1232 im Juli 2006
Supraleitende Magnettechnologie basiert auf Pionierarbeit für HERA-Collider im DESY
B = 8.34 T
T ≈ 1 K
H. Kolanoski, Urknall im Labor 1921. Sept. 2007 - Tage der Forschung
LHC-ParameterLHC-Parameter
7 TeV + 7 TeVEnergie
Bunch-Kollisionen: 40 MHz = 1/25 ns
Luminosität L = 1034 cm-2 s-1
!!! GHz 1 /sEreignisse 10
:folgt cm10mb 100mit 9
225-pp
==
=≈
⋅=
N
LσN
&
&
σ
⇒ in 1 Jahr = 107 s wird 1 Ereignis erzeugt, das 1016 –mal seltener als eine Proton-Proton-Kollision ist !!
H. Kolanoski, Urknall im Labor 2021. Sept. 2007 - Tage der Forschung
F&E für DetektorenF&E für Detektoren
Anforderungen an die Detektoren:
• gute Auflösung (Ort, Energie, Impuls, …)• hohe Granularität, niedrige „Occupancy“ • strahlenhart• schnelle Signale• hohe Integrationsdichte der Elektronik
Bedingungen für die Detektoren:
• hohe Teilchenraten• hohe Teilchendichten …• schnelle Ereignisfolge
H. Kolanoski, Urknall im Labor 2121. Sept. 2007 - Tage der Forschung
DetektorelektronikDetektorelektronik
ASIC-Entwicklungen• strahlenharte Technologien (jetzt deep-submicron)
• hohe Integrationsdichte: Granularität und Anzahl)• Pipeline-Prinzip (Speichern, um Totzeit zu vermeiden)
• …
Beispiel: Pixel-Detektoren
H. Kolanoski, Urknall im Labor 2221. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Toroidmagnet-InstallationToroidmagnet-Installation
H. Kolanoski, Urknall im Labor 2321. Sept. 2007 - Tage der Forschung
H
L
T
DATAFLOW
40 MHz
75 kHz
~2 kHz
~ 200 Hz
120 GB/s
~ 300 MB/s
~2+4 GB/s
Event Building N/workDataflow Manager
Sub-Farm InputEvent BuilderEB
SFI
EBNDFMLvl2 acc = ~2 kHz
Event Filter N/work
Sub-Farm Output
Event FilterProcessors EFN
SFO
Event FilterEFP
EFPEFP
EFP
~ sec~4
GB/
s
EFacc = ~0.2 kHz
Trigger DAQ
RoI BuilderL2 Supervisor
L2 N/workL2 Proc Unit
Read-Out Drivers
FE Pipelines
Read-Out Sub-systems
Read-Out Buffers
Read-Out Links
ROS
120 GB/s
ROB ROB ROB
LVL1
DET
R/O
2.5 μs
CaloMuTrCh Other detectors
Lvl1 acc = 75 kHz
40 MHz
RODRODROD
LVL2 ~ 10 ms
ROIB
L2P
L2SV
L2N
RoI
RoI data = 1-2%
RoIrequests
Trigger, Datennahme und DetektorkontrolleTrigger, Datennahme und Detektorkontrolle
H. Kolanoski, Urknall im Labor 2421. Sept. 2007 - Tage der Forschung
LHC und die Datenflut„The Big Data Bang“
LHC und die Datenflut„The Big Data Bang“
Jede Sekunde -
600 000 000 Ereignisse -
x 20 000 000 Sensoren
≈ 10 Petabyte/s
Datenfilter: 1 : 10 000 000
Datenspeicher: 10 Petabyte pro Jahr
(~ 1% der globalen Information)
http://edu-resources.web.cern.ch/edu-Resources/CERN_Intro_061101.pdf
Concorde(15 Km)
Balloon(30 Km)
CD stack with1 year LHC data!(~ 20 Km)
Mt. Blanc(4.8 Km)
1 Megabyte (1MB)A digital photo
1 Gigabyte (1GB) = 1000MBA DVD movie
1 Terabyte (1TB)= 1000GBWorld annual book production
1 Petabyte (1PB)= 1000TBAnnual production of one LHC experiment
1 Exabyte (1EB)= 1000 PBWorld annual information production
H. Kolanoski, Urknall im Labor 2521. Sept. 2007 - Tage der Forschung
LHC-Datenanalyse erfordert Computer Kapazitäten entsprechend ~ 100,000 der schnellsten heutigen PC’s
Wo findet man das?
LHC DatenverarbeitungLHC Datenverarbeitung
Lösungen auch dafür?
H. Kolanoski, Urknall im Labor 2621. Sept. 2007 - Tage der Forschung
LHC Computing GridLHC Computing Grid
LHC-Experimente:~200 Computer-Center12 große Zentren (Tier-0, Tier-1)38 kleinere “Tier-2”-Zentren
Tier-2s and Tier-1s are inter-connected by the general
purpose research networks
Any Tier-2 mayaccess data at
any Tier-1
Tier-2 IN2P3TRIUMF
ASCC
FNAL
BNL
Nordic
CNAF
SARAPIC
RAL
GridKa
Tier-2
Tier-2
Tier-2
Tier-2
Tier-2
Tier-2
Tier-2Tier-2Tier-2
Web für Informationen ↔ Grid für Computing
H. Kolanoski, Urknall im Labor 2721. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Das weltweite LHC-GRIDDas weltweite LHC-GRID
H. Kolanoski, Urknall im Labor 2821. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Tier-1 Centers: TRIUMF (Canada); GridKA(Germany); IN2P3 (France); CNAF (Italy); SARA/NIKHEF (NL); Nordic Data Grid Facility (NDGF); ASCC (Taipei); RAL (UK); BNL (US); FNAL (US); PIC (Spain)
H. Kolanoski, Urknall im Labor 2921. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Kollaboration und Individuen in ATLASKollaboration und Individuen in ATLAS
H. Kolanoski, Urknall im Labor 3021. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Arbeiten am und für das ExperimentArbeiten am und für das Experiment
This month's photo is of the insertionof ATLAS pixel barrel layer 2 into the global support frame.
Control room at H8 2am saturday morning, red team raises the alarm.
"We have lost contact with module 2, Sir..."
ATLAS-Kontrollraum: noch sehr friedlich …
Kontrollraum eines Teststrahls
H. Kolanoski, Urknall im Labor 3121. Sept. 2007 - Tage der Forschung
KommunikationKommunikation
• E-Mail• Telefon• Web
• Meetings, lokal und fernmit:
• Telefon-Konferenz• Video-Konferenz• VRVS
• 3-mal pro Jahr „ATLAS OverviewWeek“(davon 1-mal ausserhalb CERN)
H. Kolanoski, Urknall im Labor 3221. Sept. 2007 - Tage der Forschung
„Outreach“„Outreach“
http://atlasexperiment.org/index.html
ATLAS-Film
http://www.weltderphysik.de/ Zutaten für ein UniversumWelt des Allerkleinsten
Hands on CERN – an educational project aimedat teachers and high school students studying natural sciences of matter.
Teilchenphysik für alle: http://www.teilchenphysik.org/info.htm
DESY Angebote für Schüler und Lehrer:http://zms.desy.de/arbeiten__lernen/schueler__lehrer/index_ger.html
http://www.kworkquark.net/start/wissensdurst2.html
H. Kolanoski, Urknall im Labor 3321. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Teacher ProgrammesTeacher Programmes
http://atlasexperiment.org/index.html
http://public.web.cern.ch/Public/Content/Chapters/Education/TeacherProgrammes/TeacherProgrammes-en.html
H. Kolanoski, Urknall im Labor 3421. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Speakers age distribution
02468
101214
20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76
Age (years)
Ent
ries
/ 2
year
s99 entries (21 F plus 78 M)
441 registered participants
5th ATLAS Physics WSRome 6-11 June 2005
H. Kolanoski, Urknall im Labor 3521. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Studenten in ATLASStudenten in ATLAS
ATLAS-Studentenvon der Humboldt-Universität
studiert die „Physik der 1.Stunde“
arbeitet an einer graphischen Darstellung eines Online- Überwachungssystems
arbeitet an einer Testinstallation für die „Higher-Level-Triggerfarm(im DESY-Rechenzentrum)
Etwa 400 Doktoranden in ATLAS
Einzigartige Möglichkeiten:• Teil von etwas Bedeutendem• Teamarbeit, Kommunikation• Sichtbarkeit in der Kollaboration
und nach außen• Internationalität
Die Größe der Kollaboration scheint für Studenten kein Problem zu sein (eher für die Bosse).
Aufgaben sind eingebettet in kleinere Arbeitsgruppen, in denen auch ein Diplomand für sein Gebiet der Spezialist sein kann.
H. Kolanoski, Urknall im Labor 3621. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Studenten in internationaler ForschungStudenten in internationaler ForschungMan lernt:
HardwarePlanung, Bau, TestsDatennahmeÜberwachung...
SoftwareObjekt Orientiertgroße ProgrammpaketeSimulationenStatistische Analysen
MethodikTeam-Arbeit in internationalen Kollaborationen mit sinnvoller AufgabenteilungZerlegen komplexer Probleme in TeilschritteKoordination der Arbeit, oft über große EntfernungenZusammenarbeit mit Menschen anderer Kulturen und Weltanschauungenenglischsprachige Kommunikation und Vorträgekonstruktive Konkurrenzsituationen
H. Kolanoski, Urknall im Labor 3721. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Berufsentwicklung am Beispiel OPAL (LEP)Berufsentwicklung am Beispiel OPAL (LEP)
50% Unis oder50% Unis oderForschungszentren,Forschungszentren,z.B. CERN z.B. CERN fellowsfellows
50% Industrie50% Industrie
H. Kolanoski, Urknall im Labor 3821. Sept. 2007 - Tage der Forschung
Das Gigantische schafft man mit Giganten …Das Gigantische schafft man mit Giganten …
H. Kolanoski, Urknall im Labor 3921. Sept. 2007 - Tage der Forschung