Abbildungen der KET-Studie

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Kapitel 3: Experimente: Status und Optionen

Bild 3.1 Weltweit verteilt: die wichtigsten Forschungszentren für Teilchenphysik

3.1 Experimente an den heutigen Beschleunigern

3.1.1 Experimente an HERA

	Bild 3.2 Die Experimente an HERA stehen in direkter Linie zu berühmten Streuexperimenten, die zur Entdeckung von immer kleineren Unterstrukturen der Materie geführt haben. Seit 1992 hat HERA die höchste Auflösung und deckt die Struktur des Protons bei immer kleineren Abständen auf.
Bild 3.3 Schematische Darstellung der Kollision eines Elektrons (von links kommend) mit einem Proton (von rechts kommend). Das punktförmige Elektron dringt in das Proton ein und wird an einem der Quarks gestreut. Die Streuung wird durch den Austausch eines Kraftteilchens der elektromagnetischen oder schwachen Wechselwirkung (gelbe Linie) vermittelt. Das getroffene Quark erzeugt ein enges Bündel von Teilchen (Jet)
	Bild 3.4 Die Strukturfunktion des Protons, wie sie an HERA gemessen wird: Der starke Anstieg links zeigt an, dass sich im Proton eine große Anzahl von elementaren Bausteinen befindet, die im Mittel einen relativ geringen Anteil x zum Gesamtimpuls des Protons beitragen. Vor dem Start von HERA gab es keine gesicherten Vorhersagen (gelber Bereich).
Bild 3.5 Je genauer man in ein Proton hineinblickt, desto mehr Teilchen werden beobachtet: Es enthält eine komplexe Struktur aus Quarks und Antiquarks, die von Gluonen zusammengehalten werden. Alle tragen ihren eigenen Drehimpuls ("Spin"). Zudem entsteht durch ihre unablässige Bewegung ein Bahndrehimpuls, der ebenfalls zum Gesamtspin des Protons beiträgt. Wie sich die einzelnen Drehimpulse in diesem komplexen Zustand zum Gesamtspin des Protons zusammensetzen, wird im HERMES-Experiment bei HERA in Hamburg und im COMPASS-Experiment am CERN untersucht.
	Tabelle 3.1 Beteiligung der deutschen Gruppen an den HERA Experimenten (Stand 2002).

3.1.2 Experimente am Tevatron

	Bild 3.6 Erste Hinweise für das Top-Quark 1994 am Tevatron. Das Bild vom CDF-Experiment zeigt eine Anhäufung von Ereignissen bei derselben Masse, die aus elektroschwachen Präzisionsmessungen bei LEP, SLC und am Tevatron unter Benutzung der Standardtheorie vorhergesagt wurde.
Bild 3.7 Bereits mit den in der ersten Messperiode des Tevatron- Beschleunigers durchgeführten Messungen konnten wesentliche Bereiche des möglichen Parameterraums von supersymmetrischen Theorien getestet werden. Die Darstellung zeigt ausgeschlossene Bereiche der Squark-Masse als Funktion der Gluino-Masse in so genannten Minimal Supergravity (mSUGRA)- Modellen. Die Squarks sind die supersymmetrischen Partnerteilchen der Quarks, die Gluinos entsprechend die der Gluonen. Der bisher vom Tevatron abgesuchte Bereich kann mit den kommenden Daten noch erweitert werden und bietet ein Entdeckungspotenzial für supersymmetrische Teilchen.
	Tabelle 3.2 Ausstrahlung der Teilchenphysik: Das World Wide Web WWW ist aus der heutigen Informationsgesellschaft nicht mehr wegzudenken. Es wurde am Forschungszentrum CERN erfunden, um die weltweite Kommunikation unter Teilchenphysikern zu erleichtern.

3.1.3 Experimente an den B-Mesonen-Fabriken KEK-B und PEP-II

	Bild 3.8 Darstellung eines B0-B0quer-Ereignisses. Was man mit dem Auge kaum erkennen kann, bleibt dem Detektor nicht verborgen: Das B0quer-Meson ist auf seinem Weg entlang der Strahlachse einen kurzen Moment vor seinem Partner, dem B0-Meson, zerfallen.
Bild 3.9 Im BABAR-Experiment wird der Zeitpunkt des Zerfalls von B-Mesonen in die Teilchen J/(, K0s und andere mit dem Zerfall des begleitenden Mesons verglichen. Ist das begleitende Meson ein B0-Meson ("B0 tag"), findet der Zerfall im Mittel früher statt als bei einem begleitenden B0quer-Meson ("B0quer tag"). Materie (B0) und Antimaterie (B0quer) verhalten sich unterschiedlich, die CP-Symmetrie ist verletzt.
	Tabelle 3.3 Beteiligung deutscher Gruppen an den Experimenten an PEP-II und KEK-B sowie am Experiment NA48 zur CP-Verletzung im System der K-Mesonen (Stand 2002)

3.1.4 Beschleunigerexperimente zu speziellen Fragestellungen

Tabelle 3.4 Eine Auswahl von Experimenten an Beschleunigern mit besonderer Fragestellung

3.2 Der Large Hadron Collider LHC

Bild 3.10 Schematische Darstellung des LHC-Ringbeschleunigers und der vier Experimente am CERN

3.2.1 Das wissenschaftliche Potential des LHC

Bild 3.11 Computersimulation eines Proton-Proton-Zusammenstoßes am Large Hadron Collider LHC. Die Protonenstrahlen kollidieren alle 25 ns miteinander und erzeugen dabei im Mittel 1600 geladene und ebenso viele neutrale Teilchen. Die Rekonstruktion dieser Ereignisse stellt eine große Herausforderung an die Experimente dar. In der abgebildeten Reaktion wird auch ein Higgs-Bosons produziert. Solche Ereignisse sind äußerst selten: In 108 Kollisionen wird höchstens ein Higgs-Boson erzeugt.

3.2.2 Der LHC-Beschleuniger

Bild 3.12 Magnetentwicklung bei LHC: Der "String 2" genannte Aufbau entspricht einer vollen LHC-Zelle, was das Vakuum, die Kältetechnik, die Schutzeinrichtungen und die Stromversorgung betrifft. Ebenfalls gezeigt ist der Querschnitt durch einen LHC-Dipolmagneten.

3.2.3 Die LHC-Experimente

	Bild 3.13 Die Experimente müssen sicherstellen, dass sie die Produktion des gesuchten Higgs-Bosons bis zu einer Masse von 1 TeV auf jeden Fall nachweisen können. Wie die Abbildung zeigt, ist die statistische Signifikanz der Experimente für das Auffinden des Higgs-Bosons bei allen angenommenen Massen größer als 5 ( ist (1 ( = eine Standardabweichung). Dies entspricht einer Wahrscheinlichkeit von etwa 99,9999 %.
Bild 3.14 Auch was supersymmetrische Erweiterungen des Standardmodells betrifft, müssen die Experimente eine große Empfindlichkeit für neue Phänomene vorweisen. Die Abbildung zeigt, dass die LHC-Experimente auf diesem Gebiet (hier für so genannte Minimal Supergravity (mSUGRA)-Modelle) gut gewappnet sind.
	Bild 3.15 Bei LHC sind zunächst vier Experimente vorgesehen. Die Abbildung zeigt Aufrisszeichnungen von ATLAS, CMS, LHCb und ALICE. Die eingezeichneten menschlichen Figuren deuten die Größenverhältnisse an.
Bild 3.16 (a und b) Magnetentwicklung bei LHC: Der "String 2" genannte Aufbau entspricht einer vollen LHC-Zelle, was das Vakuum, die Kältetechnik, die Schutzeinrichtungen und die Stromversorgung betrifft. Ebenfalls gezeigt ist der Querschnitt durch einen LHC-Dipolmagneten.
	Tabelle 3.5 Beteiligung der deutschen Gruppen an den LHC-Experimenten (Stand 2002)

3.3 Der Elektron-Positron-Linearcollider TESLA

3.3.1 Das wissenschaftliche Potenzial des Linearcolliders

	Bild 3.17 Der Steckbrief des Higgs-Bosons. Mit dem Linearcollider wird es möglich sein, das Higgs-Boson und den Mechanismus, der die Massen der fundamentalen Teilchen erzeugt, im Detail zu erforschen. Die Abbildung verdeutlicht die mit dem Linearcollider erzielbaren Genauigkeiten bei der Bestimmung von Masse, Quantenzahlen, Lebensdauer, der Stärke der Higgs- Kopplung an andere Teilchen und von Parametern, welche die Form des Higgs- Potenzials bestimmen.
Bild 3.18 Ein Elektron-Positron-Linearcollider kann paarweise neue Teilchen erzeugen. Das Bild zeigt die Erzeugungsrate supersymmetrischer Teilchen (so genannter Charginos) mit einer angenommenen Masse von 127,7 GeV in Abhängigkeit von der Schwerpunktsenergie des Beschleunigers, die präzise auf verschiedene Werte eingestellt wird.
	Bild 3.19 Am Linearcollider kann die Anzahl der zusätzlichen Raumdimensionen (() in Ereignissen gemessen werden, bei denen Teilchen in die Extradimensionen verschwinden. Die dargestellte Simulationsrechnung verwendet als Annahme eine integrierte Luminosität von 500 (1000) fb-1 bei Schwerpunktsenergien von 500 (800) GeV mit Strahlpolarisation.

3.3.2 Technologie und Realisierung eines Linearcolliders

	Bild 3.20 Ein supraleitender Hohlraumresonator zur Beschleunigung der Elektronen und Positronen bei TESLA
Bild 3.21 Schematische Darstellung der TESLA-Anlage mit der unterirdischen Experimentierhalle und dem oberirdischen Röntgenlaser
	Bild 3.22 Aufbau eines supraleitenden Beschleunigungsmoduls für die TESLA- Testanlage im Reinraum. Im Vordergrund rechts ist ein Beschleunigungsresonator zu sehen.
Bild 3.23 Lageplan der TESLA-Anlage mit dem zentralen Experimentiergelände nordwestlich von Hamburg.
	Bild 3.24 Beschleunigungsgradient des ersten Prototyps eines Hohlraumresonators (Neunzeller), dessen Oberfläche mit dem bei KEK in Japan entwickelten Verfahren der Elektropolitur behandelt wurde. Damit lässt sich ein Gradient von 35 MV/m erreichen. Ein so hoher Wert erlaubt es, TESLA bei einer Schwerpunktsenergie von 800 GeV zu betreiben.
Bild 3.25 Der TESLA-Beschleuniger kann mit etwas geringerer Datenrate auch bei höheren Energien betrieben werden (blaue Punkte). Um die Datenrate zu steigern (rote Punkte), müssen Hochfrequenz- und Kühlleistung erhöht werden.
	Bild 3.26 Blick entlang der TESLA-Testanlage. Im Vordergrund ist die Elektronenquelle zu sehen, im Hintergrund erkennt man die gelben Beschleunigungsmodule.
Bild 3.27 Teststand für die Entwicklung der Elektronenquellen für TESLA (DESY Zeuthen). Im Innern der blauen Magnete werden Elektronen durch Laserbeschuss einer Photokathode freigesetzt und beschleunigt. In der anschließenden Diagnosesektion können die Eigenschaften der erzeugten Strahlpakete genau vermessen werden.
	Bild 3.28 Ein für die Linearcollider NLC und JLC entwickeltes Hochleistungsklystron. Es erzeugt die Hochfrequenzwelle, mit der die Elektronen beschleunigt werden.

3.3.3 Der Linearcollider als nächstes Großprojekt der Hochenergiephysik

3.4 Langfristige Perspektiven für Experimente an Beschleunigern

3.4.1 Multi-TeV-Elektron-Positron-Collider (CLIC)

Bild 3.29 Das Prinzip der Wakefield-Beschleunigung: Ein intensiver Elektronenstrahl (drive beam) erzeugt starke elektromagnetische Felder. Diese werden in die Beschleunigungsstrukturen des Hauptstrahls gespeist. Ist der drive beam verbraucht, wird er durch einen neuen ersetzt, der den Hauptstrahl weiter beschleunigt.

3.4.2 Hochstrom-Protonenbeschleuniger als intensive Neutrinoquelle

3.4.3 Neutrinofabrik

Bild 3.30 Entwurfsskizze einer Neutrinofabrik

3.4.4 Myoncollider

3.4.5 Very Large Hadron Collider (VLHC)

3.4.6 Folgerungen für Forschung und Entwicklung in der Beschleunigerphysik

3.5 Experimente ohne Beschleuniger

3.5.1 Protonzerfallsexperimente

3.5.2 Experimente zur direkten Suche nach dunkler Materie

Bild 3.31 Rückstoß durch elastische Streuung eines WIMP-Teilchens: Ein Teilchen der dunklen Materie des Universums trifft einen Atomkern und überträgt Energie auf diesen.

3.5.3 Detektoren für Neutrinos

Bild 3.32 Ein Blick in den BOREXINO-Detektor (Gran Sasso Laboratorium, Italien). Der Durchmesser des kugelförmigen Detektors beträgt ungefähr 14 m.

3.5.4 Experimente mit kosmischer Strahlung

	Bild 3.33 Anzahl kosmischer Teilchenschauer, die pro Sekunde pro Quadratmeter auf die Erde auftreffen. Die Größe ist ferner auf ein Einheitsintervall in der Energie und in der Richtung normiert.
Bild 3.34 Ein Foto eines der H.E.S.S.-Cherenkovteleskope in Namibia
	Bild 3.35 Darstellung eines Neutrinos im AMANDA-Detektor. Die farbigen Punkte symbolisieren die angesprochenen Photomultiplier, die Signalhöhe wird durch die Größe der Kugeln angezeigt. Die Farbe gibt den Zeitpunkt an, zu dem das Licht eintraf: rot bedeutet früh, blau spät. Folglich kam das Neutrino von unten durch die Erde.
Tabelle 3.6 Experimente mit deutscher Beteiligung zu Fragen der Astroteilchen- und Neutrinophysik Derzeit laufende Experimente sind fett, Experimente im Aufbau normal und Experimente in Planung kursiv gedruckt.

3.6 Verknüpfung von Experiment und Theorie

	Bild 3.36 Tausende von Feynman-Diagrammen müssen in die Berechnung von Reaktionsraten mit einbezogen werden, um Experiment und Theorie mit hoher Präzision zu vergleichen - hier am Beispiel der Erzeugung von Paaren schwerer Kraftteilchen am Elektron-Positron-Speicherring LEP. Jeder Kreis im rechten oberen Diagramm fasst symbolisch jeweils eine Vielzahl verschiedener Diagramme zusammen.
Bild 3.37 Das QCD-Potenzial zwischen Quarks und Antiquarks, berechnet nach der Gittermethode. Das Potenzial wächst mit dem Abstand an, sodass keine freien Quarks existieren können (Confinement).

3.7 Zeitliche Einordnung der Projekte

Bild 3.38 Mögliches Zeitprofil der empfohlenen Projekte