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2	Was ist CERN ? CERN steht für: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire Der Europäischer Rat für Kernforschung beschloss im Jahre 1954, ein von damals 12 europäischen Mitgliedsländern personell und finanziell getragenes Laboratorium für Teilchenphysik zu errichten. Standort wurde Meyrin, ein Dorf in der Nähe von Genf an der französischen Grenze.
3	Was macht CERN ? Die Forschung im CERN geht über die Atom- und Kernforschung hinaus und untersucht die Eigenschaften der elementaren Bausteine der Materie. Die offizielle Bezeichnung des CERN lautet deshalb: European Laboratory for Particle Physics Europäisches Laboratorium für Teilchenphysik
4	Ist bereits alles gesagt? In der BZ vom Freitag fand sich eine Kurzinformation über die Arbeit von Professor Kay Königsmann, Freiburg: Die fundamentalen Fragen Darin spricht er über Quarks, punktförmige Elektronen, Protonen und Neu(t)ronen mit Struktur und schließlich über seine Forschung bei CERN und dem damit verbundenen Nomadenleben.
5	Was wissen wir über das Innere der Materie ? Der Schweizer Albrecht von Haller (1708-77) schrieb pessimistisch vorausschauend: Ins Innre der Natur dringt kein erschaffner Geist; Zu glücklich, wenn sie noch die äußre Schale weist. Faust geht, um die Geheimnisse der Natur zu verstehen, sogar einen Pakt mit dem Teufel ein: … dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält… (Goethe, Faust I. 1)
6	Wie können wir etwas über die Materie erfahren ? Lichtmikroskop Röntgenstrahlen Elektronenmikroskop Neutronen Hochenergetische Teilchenstrahlen CERN betreibt Teilchenbeschleuniger mit sehr hohen Energien zur Untersuchung und Erzeugung von Elementarteilchen
7	Bekanntes aus der Physik Für Licht und ganz allgemein für elektromagnetische Strahlung (Handy), die sich mit Lichtgeschwindigkeit c = 3•10⁸m/s fortpflanzt, gilt die Beziehung: Die Lichtgeschwindigkeit ist gleich dem Produkt aus der Wellenlänge und der Frequenz: l•n = c Einstein zeigte 1905, dass beim Photoeffekt Licht als Korpuskularstrahlung (Quanten) mit der Energie: E = h•n in Erscheinung tritt, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist: h = 4,1•10^-15eV s
8	Noch ein wenig Physik Wenn aber Wellen sich als Teilchen darstellen, warum haben dann nicht auch Teilchen einen Wellencharakter? Im Jahre 1924 tat der Franzose Louis De Broglie den entscheidenden Schritt und ordnete jeder bewegten Masse eine Wellenlänge zu: l = h/p Dabei ist p der Impuls (Bewegungsgröße) der Teilchen Was bringt uns das ?
9	Die Modellvorstellung des Materieaufbaus Atomdurchmesser: 10^-11m Kerndurchmesser: 10^-14m Protonen/Neutronendurchmesser: 10^-15m Die Größe der Quarks ?
10	Größenordnungen in der Physik Kleine Längen Hohe Energien
11	Energie (besser Impuls) und Auflösung
12	Der nukleare Kartoffelsack oder Streuversuche
13	Luftbild von CERN
14	Energiezunahme durch Beschleunigung
15	Linearbeschleuniger Die geladenenTeilchen (Protonen, Elektronen) „sehen“ zwischen zwei Röhren ein beschleunigendes hochfrequentes elektrisches Feld und laufen innerhalb der Röhren in einem feldfreien Raum.
16	Kreisbeschleuniger und Speicherringe Die Ablenkung bewegter geladener Teilchen erfolgt in einem Magnetfeld durch die Lorentzkraft: K = q • [v x B] So im Speicherring LEP, in dem Elektronen und Positronen bis zu einer Energie von 100 GeV beschleunigt werden.
17	Elektron- Positron-Collider LEP
18	HE zur Erzeugung neuer Elementarteilchen Es gilt die bekannte Einsteinsche Formel E = m•c²
19	CERN Mitgliedsländer
20	Finanzielle und Personen-Daten des CERN 2800 festangestellte Mitarbeiter 6000 Physiker aus den Mitgliedsländern aber auch aus Russland, USA, China Budget 500 M€ pro Jahr Was wird dafür geboten ?
21	Die CERN-Beschleuniger
22	Von den Atomen zu den Quarks
23	Massen- und Kraftteilchen
24	HE zur Erzeugung neuer Elementarteilchen Es gilt die bekannte Einsteinsche Formel E = m•c²
25	Von den Atomen zu den Quarks
26	Massen- und Kraftteilchen
27	Drei Teilchenfamilien Aus der Verbreiterung der Z⁰-Resonanz folgt, dass es nur drei Familien von Elementarteilchen gibt
28	Anschaulichkeit in der Physik
29	HE zur Erzeugung neuer Elementarteilchen Es gilt die bekannte Einsteinsche Formel E = m•c²
30	Massen- und Kraftteilchen
31	Kräfte und Wechselwirkungen Vier fundamentale Kräfte werden durch Teilchen übertragen: Die elektomagnetische Kraft wirkt über große Entfernungen durch den Austausch virtueller Photonen Die starke Kraft hält im Atomkern durch Austausch von Gluonen die positiv geladenen Protonen zusammen. Zunahme mit dem Abstand verhindert das Auftreten isolierter Quarks: Jets! Die schwache Wechselwirkung wirkt nur über eine Entfernung von < 10^-18 m !! Deshalb haben die intermediären Bosonen wegen der Unschärferelation eine (große) Masse E ~ (h •c)/x ~ 120 GeV Gravitation: Das sehr schwache Feld spielt keine Rolle bei Teilchenreaktionen; Dennoch: Was passiert bei sehr kleinen Abständen? Das gekrümmte Schwerefeld zeigt dann Quanteneigenschaften (Plancklänge 10^-35 m)
32	Wie entsteht Masse ?
33	HE zur Erzeugung neuer Elementarteilchen Es gilt die bekannte Einsteinsche Formel E = m•c²
34	Luftbild von CERN
35	Die Detektoren am LHC
36	LHC im LEP-Tunnel Die supraleitenden Ablenkmagnete des LHC sind mit flüssigem Helium (1,9 K) gekühlt. Das Führungsfeld hat eine Stärke von 8T. Die Energie der kollidierenden Protonenstrahlen erreicht damit 2 x 7 TeV.
37	Der ATLAS-Detektor
38	Unterschied: Elektronen- und Protonen-Collider
39	Kollisionen im Large Hadron Collider
40	Schnitt durch den CMS-Detektor
41	Computersimulation eines Ereignisses am LHC
42	Das Standardmodell
43	Offene Fragen an das Standardmodell
44	Vereinigung der vier fundamentalen Kräfte ?
45	Die fundamentalen Kräfte als Funktion der Energie
46	Literatur zur Physik
47	Literatur zum Weltbild