Was die Welt im Innersten zusammenhält

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1 Was die Welt im Innersten zusammenhält V 1.0 Thomas Hebbeker RWTH, III. Phys. Inst. A Masterclasses Aachen 2010 Übersicht: Teilchen und Kräfte Exp. Methoden: Beschleuniger und Detektoren Beschleuniger LEP und LHC am CERN Physikalische Prozesse am LEP-Beschleuniger Astrophysik, Kosmologie, Astroteilchenphysik V 2.1

2 Inhalt Astrophysik, Kosmologie, Astroteilchenphysik Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Aufbau der Materie Die vier Kräfte/Wechselwirkungen Leptonen und Quarks Feynman-Diagramme Das Standardmodell der Teilchenphysik Das Higgs-Teilchen Exp. Methoden: Beschleuniger und Detektoren Die Beschleuniger LEP und LHC Physikalische Prozesse am LEP-Beschleuniger

3 Die Struktur der Materie = m elektromagnetische Kraft = 1 fm = 1 Femtometer (= elektromagnetische Wechselwirkung) Kernkraft ~ starke Wechselwirkung

4 Quarks im Nukleon Gravitation: Die 4 Kräfte/Wechselwirkungen vernachlässigbar im Mikrokosmos Elektromagnetische WW: Atom Schwache WW: Radioaktiver Zerfall Sterne Beta-Zerfall n pe Starke WW: Nukleonen im Kern

5 Energie und Masse Energie-Einheit ev 1GeV = Elektronenvolt 10 9 ev Lichtteilchen = Photon: ~ 3 ev J Energie und Masse E mc 2 c 300'000 km/ Energie kann in Masse umgewandelt werden und umgekehrt! s Protonmasse ˆ1 GeV

6 Grundlagen der Teilchenphysik A) Relativitätstheorie relevant wenn Geschwindigkeiten Beispiel: Quark im Proton: 8 v c3.010 m/ v c s Konsequenzen: v c E m 2 c B) Quantentheorie relevant im Mikrokosmos: Konsequenzen: Quantisierung, Zufall, Messgenauigkeit jeder Prozess sieht anders aus Wahrscheinlichkeitsverteilungen: Beispiel:

7 Kollisionsereignisse

8 0-1 Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems Neutrino Leptonen Elektron Atom aus Elektronen und Kern 2/3-1/3 up-quark down-quark Kernbausteine = Nukleonen: p = Proton = u + u + d n = Neutron = u + d + d ~ 1 GeV ~ m Nukleon aus Quarks Kern aus Nukleonen (Proton, Neutron) Grundbausteine sind punktförmig : Elementarteilchen

9 Materie - Antimaterie Zu jedem Lepton und Quark existiert ein Antiteilchen Beispiele: e e e e Elektron Positron Neutrino Antineutrino

10 Materie - Antimaterie Zu jedem Lepton und Quark existiert ein Antiteilchen Beispiele: e e e e

11 Kräfte = Wechselwirkungen mögliche Wirkungen Teilchen werden zusammengeklebt : Elektronen + Atomkern = Atom Teilchen können zerfallen: Myon-Zerfall e 2 s kosmische Strahlung! Teilchen können aneinander streuen : Teilchen können neue Teilchen erzeugen (und dabei verschwinden):

12 Beschreibung der Wechselwirkungen Feynman-Diagramme: Visualisierung und Berechnung von Prozessen Beispiele: a) Elastische Elektron-Quark-Streuung (elektromagnetische WW): Kräfte = Wechselwirkungen: vermittelt durch b) Myon-Zerfall: (schwache Wechselwirkung): Antiteilchen Austauschteilchen: elektromagn. schwach stark W, g Z

13 Starke Wechselwirkung Quarks kommen in drei Farben vor: u u u d d d Isolierte Quarks gibt es nicht! Beobachtbar sind nur farbneutrale Kombinationen = Hadronen Meson = q q Bindungsteilchen: Gluon g Baryon = q q q = weiss Beispiele: p = Proton = u + u + d n = Neutron = u + d + d p = Pion = u + d Baryonen Meson Hadronen

14 Schwache Wechselwirkung Kollisionsereignisse: Zerfälle: W-Austausch: wandelt Teilchen ineinander um!

15 Das Standardmodell der Teilchenphysik Materie: Fermionen: Leptonen: 0.5MeV 3 `Familien viele Teilchen instabil, kurzlebig! Quarks: 175GeV Wechselwirkungen: Austauschteilchen = Eichbosonen: elektroschwach: stark: Photon masselos Z-Boson Z 91 GeV W-Boson W + W - 80 GeV Gluon g masselos Alle experimentellen Daten werden akkurat beschrieben!

16 Das Higgs-Boson ABER: Standardmodell verlangt: Alle Teilchen sind masselos! Ausweg: zusätzliches Teilchen: Higgs: neutral, instabil wechselwirkt mit anderen Teilchen und gibt ihnen so Masse bisher experimentell nicht gefunden: Masse > 115 GeV

17 Das Standardmodell der Teilchenphysik Gibt es Higgs-Bosonen? leicht mittel schwer Gibt es weitere Teilchen?

18 Zusammenfassung Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Aufbau der Materie Die vier Kräfte/Wechselwirkungen Leptonen und Quarks Feynman-Diagramme Das Standardmodell der Teilchenphysik Das Higgs-Teilchen Gutes Verständnis von elementaren Teilchen und Wechselwirkungen Aber noch offene fundamentale Fragen: Higgs?

19 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Exp. Methoden: Beschleuniger und Detektoren Strukturuntersuchungen Teilchenbeschleuniger: Teilchendetektoren: Die Beschleuniger LEP und LHC am CERN Physikalische Prozesse am LEP-Beschleuniger Astrophysik, Kosmologie, Astroteilchenphysik

20 Methoden der experimentellen Teilchenphysik Werkzeuge: Teilchenbeschleuniger ( Mikroskop ) Teilchendetektoren ( Auge ) 1) Wellenlänge /Auflösung (Quantentheorie) 2) Studium der Kräfte bei hohen Energien: (Big Bang!) 3) Neue schwere Teilchen (Masse m): ( E mc 2 ) HOHE ENERGIE!

21 Strukturuntersuchung Prinzip: Streuung liefert Information über Objekt Quantentheorie Auflösung =

22 Teilchenbeschleuniger: Elektronen, 20 kev elektrisches Feld magnetisches Feld beschleunigt oder lenkt ab lenkt (stark) ab

23 Teilchenkollisionen Teilchensorten: p, e und Antiteilchen, Kerne E1 E2 E1 E E 1 E2 2 E1

24 Linearbeschleuniger CERN 1968 Protonen, 50 MeV E-Feld

25 Kreisbeschleuniger ( Collider ) Beschleunigungsstrecke p Beispiel: Proton-Antiproton-Collider p p viele Protonen und Antiprotonen laufen gleichzeitig um p p p Dipolmagnete Energie wächst mit Größe des Beschleunigers!

26 Jeder Teilchennachweis via elektromagnetische Wechselwirkung! Teilchendetektoren Spurdetektoren: Geladene Teilchen werden im Magnetfeld abgelenkt. Ionisation des Gases ergibt elektrisches Signal. Ortsauflösung ~ 0.1 mm Aus Krümmung folgt Impuls Kalorimeter: In Materie enstehen viele Sekundärteilchen, die Moleküle anregen. Das entstehende Licht ist ein Maß für die Energie. Energieauflösung ~ Prozent

27 Universaldetektoren Nachweisbar: langlebige Teilchen mit elektromagnetischer Wechselwirkung Viele Teilchen sind kurzlebig Nachweis nur über ihre Zerfallsprodukte

28 Zusammenfassung Exp. Methoden: Beschleuniger und Detektoren Strukturuntersuchungen Teilchenbeschleuniger: Teilchendetektoren: Zur Erforschung des Mikrokosmos: große Beschleuniger und Detektoren Erreicht: 1000 GeV 1/10000 Protonradius

29 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Exp. Methoden: Beschleuniger und Detektoren Die Beschleuniger LEP und LHC am CERN CERN LEP = Large Electron Positron Collider LHC = Large Hadron Collider Physikalische Prozesse am LEP-Beschleuniger Astrophysik, Kosmologie, Astroteilchenphysik

30 CERN Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire European Center for Particle Physics F CH

31 Hochenergie-Teilchenbeschleuniger HERA e p 300 GeV Fermilab DESY CERN Tevatron p p 2000 GeV LEP e e 200 GeV LHC p p GeV

32 CERN und seine Beschleuniger CERN / Genf weltweit führendes Forschungszentrum der Elementarteilchenphysik LEP: e + + e GeV LHC: p + p ~ GeV = 14 TeV Detektor LEP / LHC Entdeckung W und Z 1983 Suche nach neuer Physik (Higgs ) SPS

33 Der L3-Detektor am LEP-Beschleuniger

34 Kollisionsereignisse bei LEP Energie im Kalorimeter Spuren geladener Teilchen e + e - Kollision Datenanalyse:

35 LHC Beschleuniger (im LEP-Tunnel) Strahlenergie max.7 TeV Supraleitende Magnete 8T 1.9K 14m

36 CMS-Detektor am LHC (im Aufbau) m = Tonnen Januar 2007

37 p Erzeugung von W-Bosonen mit dem LHC Bei p p W p sehr kurzlebig CMS-Experiment CMS- Detektor Quarks in den Protonen im Detektor sichtbar Datenanalyse:! Simulation! (unsichtbar)

38 Higgs Entdeckung? p p H Z Z CMS-Detektor! Simulation!

39 Status LHC Start 2009 bisher 2.36 TeV

40 Zusammenfassung Die Beschleuniger LEP und LHC am CERN CERN LEP = Large Electron Positron Collider LHC = Large Hadron Collider LEP: weltgrößter Elektron-Positron-Beschleuniger viele genaue Messungen: Eigenschaften Z LHC: Proton-Proton-Kollider mit der höchsten Energie wird vielleicht das Higgs und/oder andere neue Teilchen entdecken

41 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Exp. Methoden: Beschleuniger und Detektoren Die Beschleuniger LEP und LHC am CERN Physikalische Prozesse am LEP-Beschleuniger Erzeugung und Zerfall des Z-Bosons Z-Ereignisse im Detektor Präzisionsmessungen Astrophysik, Kosmologie, Astroteilchenphysik

42 Produktion und Zerfall des Z-Bosons Gesamtenergie ~ Z-Masse ~ 91 GeV zunächst unbekannt Z sehr kurzlebig, nicht sichtbar f Z zerfällt in Fermion+Antifermion unsichtbar! f f e u d s c b f f e q q e f Wahrscheinlichkeit ~ 3% ~ 3% ~ 3% ~ 20% ~ 70%

43 Nachweis von Fermion + Antifermion im Detektor BEISPIEL 1: stabile geladene Leptonen e e Z L3-Detektor

44 Nachweis von Fermion + Antifermion im Detektor BEISPIEL 2: Quarks (Hadronen) e e Z qq Jet Jet keine freien Quarks, es entstehen Hadronen Aleph-Detektor Hadronen fliegen in `Bündeln weg: Jets

45 Wahrscheinlichkeit für Wechselwirkung Präzisionsmessungen bei LEP q q Hadronen Z-Masse: GeV Zahl der Neutrinofamilien: Z Masse N Gesamtenergie

46 Zusammenfassung Physikalische Prozesse am LEP-Beschleuniger Erzeugung und Zerfall des Z-Bosons Z-Ereignisse im Detektor Präzisionsmessungen LEP: weltgrößter Elektron-Positron-Beschleuniger Schweres Z Boson kann erzeugt werden Eigenschaften wie Masse des Z und Zahl der Neutrinosorten gemessen

47 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Exp. Methoden: Beschleuniger und Detektoren Die Beschleuniger LEP und LHC am CERN Physikalische Prozesse am LEP-Beschleuniger Astrophysik, Kosmologie, Astroteilchenphysik Astronomie, Astrophysik Kosmologie und Teilchenphysik

48 Blick ins Weltall Galaxien Andromeda-Galaxie 3 Millionen Lj Lj Aachen Das Sonnensystem in der Milchstrasse

49 Teilchenphysik und Kosmologie Teilchenbeschleuniger untersuchen Prozesse s nach dem Urknall (100 GeV) 10 10

50 ??? Astrophysik, Kosmologie, Astroteilchenphysik Zusammensetzung Universum (Energie/Masse)? Elementarteilchen?

51 Zusammenfassung Astrophysik, Kosmologie, Astroteilchenphysik Astronomie, Astrophysik Kosmologie und Teilchenphysik Wichtige Messungen in den letzten Jahren: kosmische Strahlung, Exoplaneten, Noch unverstanden: dunkle Materie. nur 4% des Universums verstanden!

52 Teilchenphysik / Astro(teilchen)physik

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