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1 Hands on Particles Physics, International Masterclasses Willkommen bei den Masterclasses! Wie arbeitet ein Teilchenphysiker? 1

2 Ablauf des Tages 10:00 Uhr: Begrüßung 10:10 Uhr: Vortrag Auf den Spuren der Elementarteilchen 11:10 Uhr: Diskussion zum Vortrag 11:30 Uhr: Mittagspause (mehr Zeit, um Fragen zu stellen) 12:00 Uhr: Identifying Particles, Auswertung von Daten 13:20 Uhr: Diskussion der Ergebnisse 13:40 Uhr: Quiz 14:00 Uhr: Schlussworte 2

3 Auf den Spuren der Elementarteilchen Überblick Teilchen und Kräfte Identifikation LHC/ Atlas/ CMS Z-Zerfälle Kathrin Leonhardt

4 Nützliche Einheiten für Teilchen Größe: 1 fm = 1 Femtometer ( Fermi ) = m (1 µm = fm) Energie: 1 ElektronVolt = 1eV 1 kev = 1000 ev 1 MeV = ev 1 GeV = ev 1 GeV: viel für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0, Sekunden zum Leuchten bringen

5 Wie ist die Materie aufgebaut? 1/10 1/ ~ 0,01 m Kristall 10-9 m Molekül 1/ m Atom 1/ / m Atomkern m Proton <10-18 m Quark, Elektron Welche Elementarteilchen gibt es? 5

6 Das Elektron, e von J.J. Thomson entdeckt Masse m= 0,5 MeV = 9, kg Ladung q= -1 e keine innere Struktur tatsächliches Elementarteilchen, das nicht weiter geteilt werden kann? 6

7 Das Myon, µ 1937 in der Höhenstrahlung entdeckt Höhenstrahlung: Teilchen aus dem All treffen auf Atmosphäre Teilchenschauer entsteht Ähnliche Eigenschaften wie Elektron ABER: instabil, zerfällt nach 2,2 10-6s schwerer, mµ- = 100 MeV (= 200 me-) 7

8 Das Tau, τ 1975 wurde das τ entdeckt Masse: mτ = 1784 MeV 3000mal schwerer als e-, doppelte Masse des Protons ( mp = 1, kg) sehr kurze Lebensdauer: s Trotzdem: ähnliche Eigenschaften wie Elektron e-, μ-, τ - gehören zur Gruppe der Leptonen (griech.: leichtgewichtig)! Masse des Tau 8

9 Noch ein Lepton! 1914 Chadwick β-zerfall: n p + eunerwartete Energieverteilung Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino ν Elektrisch neutraler Partner des Elektrons Sehr leicht Nur schwach wechselwirkend (Fermi): von schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet im Universum Neutrinos / m3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m33 9

10 Das Lepton-Set jedem geladenen Lepton wird ein Neutrino zugeordnet Es entsteht ein Ordnungsschema: Einteilung der Leptonen in drei Familien/Generationen. 10

11 Warum zerfallen Myon- und Tau-Lepton? Beide Leptonen haben große Masse, aber sonst gleiche Eigenschaften wie das Elektron. Umwandlung in energetisch günstigeren Zustand Feynman-Diagramm für μ- νμ + e- + νe Beachte: Ladungserhaltung Leptonzahlerhaltung Ähnlich für Tau-Lepton τ - ντ + e- + νe 11

12 Was ist mit Proton/Neutron? In den 50ern: Entdeckung vieler Teilchen Teilchenzoo 1964 Einführung von kleineren, elementareren Teilchen durch Murray Gell-Man, die Quarks Proton und Neutron sind nicht elementar! Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen 1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg 1 fm Proton wahrscheinlich stabil, Lebensdauer > 1033 Jahre Normale Materie aus u-,d-quark und Elektronen aufgebaut, bilden Atomkerne und Atome. 12

13 Das vollständige Set der Bausteinteilchen Alle Teilchen sind punktförmig ( < fm) Das 4er Set der 1.Baustein-Generation wiederholt sich genau 2 Mal. Niemand weiß, warum 13

14 Die Massen der Elementarteilchen 1995: TeVatron, FNAL,Chicago Entdeckung des Top Quarks Masse: 173 GeV! Massen in MeV 14

15 Konzept der Wechselwirkungen Wechselwirkung: Kraftwirkung zwischen Teilchen Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion 4 fundamentale Wechselwirkungen Gravitation (Schwerkraft) S Elektromagnetismus N Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung q q n n pp n p n p nnn p pp n p pnp 15

16 Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen 16

17 Was ist eigentlich eine Ladung? Eine Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens Ladungen sind Additiv: Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren Mehr wissen wir (noch) nicht 17

18 Die elektromagnetische Kraft Ladung: elektrische Ladung Q Arten: 1 Ladungsart: Zahl, positiv oder negativ Botenteilchen: Photon Eigenschaften: elektrisch neutral: Q=0 (keine WW untereinander) masselos : m=0 (bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit) Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung +2/3-1/3 0-1 Besonderheiten: Unendliche Reichweite Makroskopisch beobachtbar Magnetfelder lenken elektrisch geladene Teilchen ab, umso weniger je höher deren Energie ist 18

19 Die starke Kraft Ladung: starke Ladung Arten: 3 Ladungsarten: Farbe, plus jeweilige Antifarbe Botenteilchen: 8 Gluonen Eigenschaften: tragen selber je 1 Farbe und Antifarbe masselos : m=0 Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung r, b, g r, b, g Besonderheiten: Endliche Reichweite ca 1 fm Hält p, n und Atomkern zusammen Makroskopisch nicht beobachtbar, außer im radioaktiven α-zerfall Heliumkerne 19

20 Die starke Kraft Besonderheit: Gluonen (Botenteilchen) tragen ebenfalls Farbladung, können dadurch auch miteinander wechselwirken es gibt keine freien Farbladungen 20

21 Die schwache Kraft Ladung: schwache Ladung (I1, I2, I3) Arten: 1 Ladungsart: Zahlentriplett Botenteilchen: W-, Z0, W+ Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I = -1, 0, 1 3 Masse : m = GeV Teilchen Up Down Neutrino Elektron I3 +1/2-1/2 +1/2-1/2 Besonderheiten: Endliche Reichweite ca fm Makroskopisch nicht beobachtbar, außer Brennen der Sonne und radioaktive Umwandlung ( Zerfall ) des Neutrons 21

22 Teilchen und Kräfte Neutrinos wechselwirken sehr selten (nur über schw. WW) ( von schaffen Erddurchquerung) 22

23 Antimaterie Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Ladungsvorzeichen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen können paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt können sich diese wieder zu Botenteilchen vernichten, z.b. e+ + e- Z0, am besten wenn 2Ee=mZc2 23

24 Wie entdeckt man neue Teilchen? Teilchenphysik = Hochenergiephysik Forscher nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn mit steigender Energie E (Impuls p) der Projektile steigt: Fähigkeit, kleine Strukturen x zu erkennen x p = ħ (Heisenberg) Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen: E = mc2 (Einstein) 24

25 Teilchenbeschleuniger als Mikroskope Sehen = Abbilden Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor) Auflösungsvermögen : Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Projektilgröße << Größe der Strukturen Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV), zum Beispiel: 0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV 200 fm bei E = 1 MeV = 1000 kev 0,2 µm bei E = 1 ev 25

26 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle 26

27 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Tennisbälle 27

28 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Murmeln...Nichts wie weg! 28

29 Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Haben Sie auch daheim! Funktionsprinzip: Simulation Linearbeschleuniger: Fermilab, Chicago (in Betrieb) DESY, Hamburg (in Planung) 29

30 Bis 2000: e-e+ Vernichtung bei CERN Strahlenergie Ee= GeV 30

31 Der Large Hadron Collider LHC Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen, Umlauffrequenz 11 khz 31

32 LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug 120 Elefanten mit 40 km/h Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser 32

33 Ein Blick in den Tunnel Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu Strukturen und Abständen von Metern Massen auf der Teraskala (E = mc2 = 1TeV) Entwicklung des Universums nach dem Urknall von 0, s bis 0, s 33

34 In Dresden: ATLAS Experiment, LHC Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten 170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern Größenvergleich Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten 34

35 Teilchenidentifikation = Detektivarbeit Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten Feststellbare Teilcheneigenschaften: aus Quarks ( Hadronen ) elektr. geladen/ ungeladen leicht/ schwer 35

36 Mehr Durchschlagskraft für: - schwere Teilchen - schwächere Wechselwirkung 36

37 Schnitt durch den CMS Detektor 37

38 Einzelne Quarks ergeben Hadronen Jets e-p Kollisionen bei HERA am DESY 38

39 Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 Elektronische Bilder 39

40 Z Zerfälle Das Z Teilchen ist nicht stabil Wandelt sich nach s (!) in andere Teilchen um ez0 Z0 Z0 qq τ- τ+ µµ+ e+ e- νν e+ Zeit 40

41 Zerfallskanäle Löcher entsprechen Zerfallskanälen Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht vorhersagbar Für einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar Entleerungsdauer absolute Größe der Löcher Zerfallsdauer Stärke der Kopplungen an Teilchenpaare Ergebnis: Schwache Wechselwirkung gar nicht so schwach! Verhältnis der Austrittsmengen Größenvergleich der Löcher Verhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten Größenvergleich der Kopplungen 41

42 Animation des ATLAS und CMS Detektors ATLAS CMS Ziele: Suche nach Neuem: Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?) Supersymmetrie ( Dunkle Materie?) - nur 4% des Weltalls ist normale Materie zusätzliche Raumdimensionen 42

43 Kosmologie - Teilchenphysik frühes Universum: Temperatur 1015 K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV alle Teilchen kollidieren unkontrolliert Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung 43

44 Auf der Suche nach der Weltformel heutige experimentelle Grenze Fortschritt der Physik Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, Zurück zum Urknall 44

45 Schlussübersicht 45

46 Viel Spaß bei den Übungen! 46

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