DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINEN DER NATUR

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1 DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINEN DER NATUR "Die Natur liebt sich zu verbergen" Heraklit, 500 v. Chr. ZWEI FUNDAMENTALE FRAGEN : WIE IST DAS UNIVERSUM ENTSTANDEN? WORAUS BESTEHT DIE MATERIE MIT IHREN KRÄFTEN? BEIDE FRAGEN SIND MITEINANDER VERKNÜPFT : VERSTÄNDNIS VON DER STRUKTUR DER MATERIE UND IHRER KRÄFTE <==> BESSERES WISSEN ÜBER IHREN URSPRUNG FÜR DIE SUCHE NACH DIESEM VERSTÄNDNIS : SCHAFFE ZUSTÄNDE WIE IN DEN ERSTEN ANFÄNGEN DES UNIVERSUMS

2 VOM UNIVERSUM ZUM QUARK m 10 7 m 10 1 m 10-4 m 10-8 m m

3 I. ZUR ENTSTEHUNG DES UNIVERSUMS DAS UNIVERSUM IST VOR CA 13 MILLIARDEN JAHREN IN EINEM URKNALL ENTSTANDEN ("BIG BANG") DIES BERUHT AUF DREI BEOBACHTUNGEN:

4 ELEMENTHÄUFIGKEIT IM UNIVERSUM 1. BEOBACHTUNG: PRIMORDIALE HÄUFIGKEIT DER ELEMENTE 75% H, 24% He, <1% Li,... ELEMENTSYNTHESE IN DEN ERSTEN DREI MINUTEN Messung der Zusammensetzung mit Spektralanalyse

5 ROTVERSCHIEBUNG FERNER GALAXIEN 2. BEOBACHTUNG: Kalzium DIE GALAXIEN ENTFERNEN SICH VON EINANDER (Hubble 1930) JE GRÖSSER DIE ENTFERNUNG DESTO SCHNELLER Hubble

6 HORNANTENNE DER BELL TELEPHONE LABORATORIES 3. BEOBACHTUNG: KOSMISCHE HINTERGRUNDSTRAHLUNG (Penzias, Wilson 1956) 2.7 K TEMPERATURSTRAHLUNG LICHTBLITZ DES URKNALLS Körper mit Temperatur T [K] strahlen mit Frequenzverteilung ν

7 DIE ABKÜHLUNG DES UNIVERSUMS Radius 10-3 m m m Teilchenbeschleuniger

8 II. DIE FUNDAMENTALEN TEILCHEN UNSER HEUTIGES VERSTÄNDNIS VON DER NATUR IST VON GRIECHISCHEN PHILOSOPHEN GEPRÄGT: "Denn weder gibt es beim Kleinen ja ein Kleinstes, sondern stets ein noch Kleineres (denn es ist unmöglich, daß das Seiende zu sein aufhöre) - aber auch beim Großen gibt es immer ein Größeres." Anaxagoras, v. Chr. "Der gebräuchlichen Redeweise nach gibt es Farbe, Süßes, Bitteres, in Wahrheit aber nur die Atome und das Leere." (ατοµοσ = unteilbar) Démokrit, v. Chr.

9 DIE SUCHE NACH DEN KLEINSTEN STRUKTUREN DER MATERIE Dalton Lehre von den Atomen als Grundbausteinen der Stoffe Meyer/Mendelejev Periodensystem der Elemente 10 7 Chemische Verbindungen 112 Atome Rutherford ( ) Atome: kompakter Kern mit Elektronenhülle Bothe, Chadwick, Joliot (um 1932) Neutronen und Protonen im Kern 112 Atome 3 Bausteine Gell-Mann, Zweig (1964) Protonen, Neutronen, andere Hadronen Bestehen aus Quarks >100 Elementarteilchen 6 Quarks

10 UNTERSUCHUNG KLEINER STRUKTUREN MIT STREUUNG Winkelverteilung der Projektile nach der Streuung: HINWEIS AUF INNERE STRUKTUREN

11 DAS EXPERIMENT VON GEIGER UND RUTHERFORD STREUUNG VON ALPHA-TEILCHEN AN EINER GOLDFOLIE Mikroskop α-quelle BEOBACHTUNG: ZUWEILEN WERDEN TEILCHEN STARK ABGELENKT WINKELVERTEILUNG UNABHÄNGIG VON DER ENERGIE Leuchtschirm ERKENNTNIS: ATOME BESTEHEN AUS WINZIGEM GELADENEN KERN UND ELEKTRONENHÜLLE

12 PRINZIP EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS DIE BRAUNSCHE RÖHRE - + U Beschleunigungsspannung U = 1Volt Beschleunigungsspannung U = 1000Volt MODERNE ANFORDERUNGEN: kinetische Energie = 1eV kinetische Energie = 1keV ev = 1 TeV

13 SCHEMA EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS

14 INTERNATIONALE BESCHLEUNIGERLABORS Karlsruher Beteiligung

15 DAS EXPERIMENT VON FRIEDMANN, KENDALL; TAYLOR...(1969) STREUUNG VON HOCHENERGETISCHEN ELEKTRONEN AN WASSERSTOFF IN STANFORD (SLAC) 17 GeV Elektronen BEOBACHTUNG: ZUWEILEN WERDEN ELEKTRONEN STARK ABGELENKT WINKELVERTEILUNG UNABHÄNGIG VON DER ENERGIE ERKENNTNIS: STREUUNG AN PUNKTFÖRMIGEN QUARKS PROTONEN BESTEHEN AUS 3 QUARKS: uud

16 ELEKTRON-PROTON-ZUSAMMENSTÖßE AM HERA- BESCHLEUNIGER IN DESY, HAMBURG HERA: STREUUNG VON 30 GeV ELEKTRONEN AN 900 GeV PROTONEN

17 ERKENNTNISSE VON HERA d u u Valenzquarks 2 fm ERKENNTNIS: STREUUNG AN PUNKTFÖRMIGEN QUARKS, R < m GENAUE STRUKTUR DES PROTONS

18 BAUSTEINE DER SICHTBAREN MATERIE DIE SICHTBARE WELT BESTEHT AUS QUARKS UND LEPTONEN DER ERSTEN GENERATION: u, d, e -, ν IN DEN ERSTEN SEKUNDEN DES UNIVERSUMS GAB ES ABER NOCH WEITERE OBJEKTE, DIE LÄNGST ZERFALLEN SIND DIESE KÖNNEN AN TEILCHENBESCHLEUNIGERN IN KLEINEN "URKNALLEN" AUS ENERGIE ERZEUGT WERDEN t t ANWENDUNG: E = mc 2 (Albert Einstein)

19 III. DIE FUNDAMENTALEN KRÄFTE GRAVITATION: NEWTON ( ): GRAVITATIONSGESETZ ELEKTRIZITÄT, MAGNETISMUS: MAXWELL ( ): VEREINIGUNG ELEKTROSTATIK UND MAGNETISMUS HEINRICH HERTZ ( ): ENTDECKUNG DER ELEKTRO- MAGNETISCHEN WELLEN IN KARLSRUHE

20 DIE EXPERIMENTE VON HEINRICH HERTZ ENTDECKUNG DER "ELEKTRODYNAMISCHEN" WELLE ERKENNTNIS: DIE ELEKTRISCHEN UND MAGNETISCHE KRÄFTE WERDEN DURCH EM WELLEN ÜBERTRAGEN (PHOTONEN)

21 KRÄFTE ALS URSACHE ALLEN GESCHEHENS ALLGEMEIN: KRÄFTE ENTSTEHEN DURCH AUSTAUSCH VON BOSONEN SCHEMATISCHE BESCHREIBUNG DURCH FEYNMANDIAGRAMME

22 DIE FUNDAMENTALEN NATURKRÄFTE! Gravitation Stärke : Anziehung von Massen Reichweite: unendlich! Schwache Wechselwirkung Stärke : 1/ Bewirkt den radioaktiven Zerfall Reichweite: sehr klein!! Elektromagnetische Wechselwirkung Stärke : 1/100 Gleiche Ladungen stossen sich ab, Reichweite: unendlich ungleiche ziehen sich an! Starke Wechselwirkung Stärke : 1 Anziehende Kraft zwischen den Quarks Reichweite: ~10-15 m

23 DIE VEREINIGUNG DER ELEKTROMAGNETISCHEN UND SCHWACHEN WECHSELWIRKUNG ELEKTRON-PROTONSTREUUNG BEI HERA: AUSTAUSCH VON W-BOSONEN UND PHOTONEN GLEICH HÄUFIG BEI KLEINEN ABSTÄNDEN

24 W- UND Z-BOSONEN URSACHE FÜR DIE KURZE REICHWEITE DER SCHWACHEN KRÄFTE: DIE TRÄGER BESITZEN EINE SEHR GROSSE MASSE MASSE DES Z-BOSONS: 90 GeV/c 2 Nachweis eines Z-Bosons im UA1-Experiment am CERN 1983 Carlo Rubbia

25 UNSER HEUTIGES WISSEN: DAS STANDARDMODELL Sheldon Glashow Abdus Salam

26 IV. DIE SUCHE NACH DEM SCHWERSTEN TEILCHEN FERMILAB TEVATRON COLLIDER z.z. höchste Energien der Welt Pro Sekunde Kollisionen 1 Top-Ereignis nur in Kollisionen! BILD EINES KOLLISIONS-EREIGNISSES

27 NACHWEIS VON TOP-QUARKS NACHWEIS ANHAND DER ZERFALLSPRODUKTE DER CDF-DETEKTOR

28 FUNKTION EINES TEILCHENDETEKTORS e + e - Myon (hohe Energie) (mittlere Ene.) (kleine Energie) Photon Elektron Quark Jet Spurdetektor Elektronkalorimeter Hadronkalorimeter Magnetspule Myonkammern

29 DIE CDF-KOLLABORATION 1993

30 DAS CDF TOP-QUARKSIGNAL (1995) TOP-ANTITOP-EREIGNIS TOP-QUARK-SIGNAL

31 DIE MASSEN DER QUARKS

32 SIND QUARKS FUNDAMENTALE TEILCHEN? WIEDERHOLUNG DES RUTHERFORD-EXPERIMENTES p p Suche nach ERKENNTNIS: Λ > 1600 GeV R < m

33 GRÖSSENVERHÄLTNISSE PROTONEN SIND x KLEINER ALS ATOME (1911) Atomkern : Atomhülle = Knopf : Innenstadt QUARKS, LEPTONEN SIND MIND x KLEINER ALS PROTONEN (1998) Quark : Atomhülle < Knopf : Erde

34 V. ZUSAMMENFASSUNG UNSER HEUTIGES WELTBILD KENNT 12 FUNDAMENTALE MATERIETEILCHEN: QUARKS UND LEPTONEN 4 FUNDAMENTALE KRÄFTE Die Teilchen sind höchstens m groß. Ob sie zusammengesetzt sind, ist nicht bekannt. OFFENE FRAGEN: WIE BEKOMMEN TEILCHEN IHRE MASSE? WIESO GIBT ES NUR MATERIE IM HEUTIGEN UNIVERSUM? WIE ERKLÄRT SICH DIE VIELFALT DER TEILCHEN UND KRÄFTE? UND...

35 ÜBERRASCHUNG IM UNIVERSUM: DIE DUNKLE MATERIE DUNKLE MATERIE Kepler

36 DUNKLE MATERIE: SUPERSYMMETRISCHE TEILCHEN? Symmetrie zwischen Fermionen Bosonen (Materie) (Kraftteilchen) Teilchenmassen GeV!

37 DER LARGE HADRON COLLIDER LHC: Proton-Proton-Kollisionen bei 14 TeV Schwerpunktsenergie Umfang 27 km

38 DAS CMS-EXPERIMENT EISENJOCH DES 4 TESLA-MAGNETEN Gewicht: t Hergestellt in der Werft Deggendorf

39 LOGISTIK BEIM BAU DES CMS-SPURDETEKTORS Probestation 3 D-Meßmaschine Bonding Maschine

40 SIMULATIONSSTUDIE ZUM NACHWEIS EINES HIGGSBOSONS SIMULATION EINES HIGGS- BOSON-EREIGNISSES AM CMS-DETEKTOR ERWARTETES SIGNAL AM LHC

41 AUSBLICK DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINEN DER NATUR IST PHILOSOPHISCHES ANLIEGEN SEIT MENSCHENGEDENKEN WIE WIR DIE FRÜHEREN KULTUREN BEURTEILEN, WERDEN AUCH WIR SPÄTER AN UNSEREN ERKENNTNISSEN GEMESSEN WERDEN UNSERE FORSCHUNG IST VERKNÜPFT MIT DER AUSBILDUNG UND DER SUCHE NACH ANWENDUNGEN IM TÄGLICHEN LEBEN

42 BESTRAHLUNG VON TUMOREN

43 PET-AUFNAHME

44 MODERNE DETEKTOREN FÜR RÖNTGENAUFNAHMEN Pixel-Detektoren aus der Teilchenphysik könnten in der Zukunft für Röntgenaufnahmen verwendet werden. Strahlenbelastung reduziert um Faktor 10.

45 DAS INTERNET

46 DATENMENGEN AM LHC 40 MHz ; 10 9 Ereignisse/s = 1 Pet a Byt e/s =150 x 10 6 Sensor en Onl i ne-dat enredukti on Dat 100 enspei Hz cherung ~1 PetaByte/Jahr LÖSUNG: DAS GRID

47 ANWENDUNGEN DES FREIE ELEKTRONEN LASERS Röntgen-FEL: 0.1 nm Laser - Filme von chemischen Reaktionen. - Strukturuntersuchung mit atomarer Auflösung. Eiweißmolekül Diffraktion an einzelnen Molekülen

48 ENTDECKUNGEN IN DER TEILCHENPHYSIK m ν Higgs SUSY Neue Strukturen Überraschungen "Ohne Zweifel wird es noch lange dauern, bis Teilchenphysiker ohne Arbeit sein werden." (M. Gell-Mann, 1957)

49 EINE KARLSRUHER DIPLOMANDIN