Teilchen, Strings und dunkle Materie

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1 Teilchen, Strings und dunkle Materie Die offenen Fragen der Elementarteilchenphysik Hartmut Wittig Institut für Kernphysik und Exzellenzcluster PRISMA Johannes Gutenberg-Universität Mainz Nell-Breuning-Symposium, Rödermark 11. Oktober 2014

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4 Standardmodell

5 Die Entdeckung des Higgs-Bosons

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7 Physik Nobelpreis 2013 Peter Higgs François Englert for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles

8 Physik Nobelpreis

9 Die kosmische Hintergrundstrahlung

10 Das Standardmodell der Teilchenphysik

11 Die Teilchen des Standardmodells

12 und ihre theoretische Beschreibung

13 Die Entdeckung der Elementarteilchen Elektron (1897) Kathodenstrahlung Proton ( ) Kernreaktion: 14 N + α 17 O + p Neutron (1932) Kernreaktion: 9 Be + α 12 C + n

14 Die Entdeckung der Elementarteilchen Positron (1932), Myon (1936), Pion (1947),

15 Hadronen und das Quarkmodell Baryonen: Mesonen: p, n, Λ, Ξ, Σ, π 0, π ±, K 0, K 0, η, Hadronen If I could remember the names of these particles, I would have been a botanist. Enrico Fermi

16 Hadronen und das Quarkmodell Baryonen: Mesonen: p, n, Λ, Ξ, Σ, π 0, π ±, K 0, K 0, η, Hadronen Gell-Mann, Nishijima, Ne eman, Zweig: Klassifizierung der Hadronen nach Quarks : up (u), down (d), strange (s) Der Achtfache Pfad Three quarks for Muster Mark! James Joyce, Finnegans Wake, S =

17 Erfolge und Rätsel des Quarkmodells Vorhersage der Existenz neuer Hadronen: Ω, Spin- 3 2, (s s s ) Verletzung des Pauli-Prinzips? Farbe als neue Quantenzahl, (s s s ) Weitere Quarks entdeckt: charm (c), bottom (b), top (t) Baryonen: Mesonen: Bindungszustände dreier Quarks Bindungszustände von Quark und Anti-Quark Keine experimentellen Hinweise auf die Existenz freier Quarks! Quarkeinschluss Confinement

18 Die Quantenchromodynamik QCD Quarkmodell Eichtheorie: ist Kräfte statisch zwischen keine Quarks Wechselwirkung werden durch zwischen Gluonen Quarks vermittelt Harald Fritzsch Murray Gell-Mann Heinrich Leutwyler

19 β-zerfall und schwache Wechselwirkung Erklärung des kontinuierlichen β-spektrums durch Wolfgang Pauli Dreikörperzerfall: n p + + e + ν e

20 β-zerfall und schwache Wechselwirkung

21 Die Glashow-Salam-Weinberg-Theorie Vereinheitlichte Beschreibung von Elektromagnetismus und schwacher Kraft Vektorbosonen als Vermittler der Wechselwirkung: γ (Photon), W ±, Z 0 Higgs-Boson ist unentbehrlicher Bestandteil: m γ = 0, m W ± = 80.4 GeV, m Z 0 = GeV Neutrale Ströme: Sheldon Glashow Abdus Salam Steven Weinberg

22 Die Teilchen des Standardmodells

23 Die Grenzen des Standardmodells

24 Diskrete Symmetrien P: Parität C: Ladungskonjugation T: Zeitumkehr CP verwandelt Teilchen in ihre Antiteilchen keine Symmetrie des Standardmodells! [Cronin & Fitch 1964 Nobelpreis 1980] K L 0 π + + e + ν e, CP π + + e + ν e K L 0 π +e + + ν e = π +e + + ν e Materie und Antimaterie verhalten sich unterschiedlich! CP Verletzung

25 CP Verletzung M.C. Escher Dag en Nacht (1938)

26 Das Verhältnis von Materie und Antimaterie Antimaterie Materie

27 Materie und Antimaterie im frühen Universum CP Verletzung ist Voraussetzung zur Bildung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie Andrei Sacharov CP Verletzung im Standardmodell ist zu schwach um die Asymmetrie zu erklären

28 Standardmodell und neue Physik Keine Erklärung für die Hierarchie der Teilchenmassen, z.b. m top /m νe > Keine Erklärung für Asymmetrie von Materie und Antimaterie im Universum Keine Erklärung für dunkle Materie und dunkle Energie Gravitation ist nicht Teil des Standardmodells Das Standardmodell ist der Grenzfall einer umfassenderen Theorie Ab einer bestimmten Energieskala erwartet man Neue Physik

29 Supersymmetrie SUSY Erweiterung des Standardmodells Jedes Teilchen des Standardmodells erhält einen Partner SUSY verstärkt die CP Verletzung SUSY sagt stabiles Teilchen voraus: Neutralino Kandidat für dunkle Materie

30 Dunkle Materie

31 Dunkle Materie experimentelle Hinweise Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in Spiralgalaxien Radialer Zuwachs des Verhältnisses Masse / Leuchtkraft

32 Dunkle Materie experimentelle Hinweise Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in Spiralgalaxien Radialer Zuwachs des Verhältnisses Masse / Leuchtkraft

33 Dunkle Materie experimentelle Hinweise Gravitationslinseneffekte in Galaxienhaufen

34 Dunkle Materie experimentelle Hinweise Gravitationslinseneffekte in Galaxienhaufen Bullet Cluster: Kollision zweier Galaxienhaufen: Trennung von leuchtender und dunkler Materie Heisses Gas sammelt sich am Kollisionspunkt Gravitationslinseneffekt außerhalb des Zentrums Menge an leuchtender Materie nicht ausreichend um die Stärke der Linse zu erklären

35 Sterne 2% Neutrinos 1% H und He 14% Dunkle Materie 83%

36 Die Kandidaten: MACHOs und WIMPs Massive Astrophysical Compact Halo Object Weakly Interacting Massive Particle Nachweisbar nur über Gravitation und schwache Wechselwirkung Majorana-Neutrinos, Neutralinos, Axionen,

37 Gravitation und Kosmologie Aus astronomischen und astrophysikalischen Beobachtungen wissen wir Das Universum dehnt sich aus Die Ausdehnung des Universums beschleunigt sich Das Universum ist flach Einstein-Gleichungen: R μν 1 2 g μνr = 8πG c 4 T μν Geometrie Materie

38 Gravitation und Kosmologie Expansion eines flachen, materiegefüllten Universums muss sich verlangsamen Beschleunigung der Expansion nur erklärbar, wenn eine Energie der Gravitation entgegenwirkt: Dunkle Energie Kosmologische Konstante: R μν 1 2 g μνr = 8πG c 4 T μν g μν Λ

39 Materie 5% Dunkle Materie 27% Dunkle Energie 68%

40 Standardmodell beschreibt nur 5% der Masseinhalts des Universums Dunkle Materie im Rahmen von Erweiterungen des Standardmodells erklärbar Dunkle Energie schlägt Brücke zu Gravitation und Allgemeiner Relativitätstheorie

41 Quantengravitation Was ist theoretische Physik? Formulierung eines mathematischen Modells der Realität Eine Theorie gilt als wahr solange ihre Vorhersagen nicht durch experimentelle Beobachtungen widerlegt werden Das Standardmodell ist in Einklang mit allen bisherigen experimentellen Befunden in der Teilchenphysik Das Standardmodell beantwortet nicht alle Fragen der Teilchenphysik und Kosmologie Eine vereinheitlichte Theorie aller fundamentalen Kräfte muss die Gravitation mit einschließen

42 Quantengravitation Die Anwendung des Quantisierungsformalismus auf die Allgemeine Relativitätstheorie führt zu mathematischen Inkonsistenzen Radikalere Ansätze: Stringtheorie Versuch einer vereinheitlichten Beschreibung aller Fundamentalkräfte Konzept eines Punktteilchens wird ersetzt durch zweidimensionales Objekt Supersymmetrie ist notwendiger Bestandteil Schleifen-Quantengravitation Quantengravitationseffekte relevant nahe der Planck-Länge: L Planck = Raumzeit besitzt Granularität bei Abständen von L Planck = m ħg c

43 Exzellenzcluster PRISMA Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

45 Supersymmetrie SUSY

46 Dunkle Materie experimentelle Hinweise Kosmische Hintergrundstrahlung Verhältnis von leuchtender und dunkler Materie ergibt sich aus der Höhe der Maxima