Vom Weltall zur Weltformel: Rätsel der modernen Physik

Transkript

1 Physik am Samstag Juni 2009 Vom Weltall zur Weltformel: Rätsel der modernen Physik Ulrich Nierste

2 Fundamentale Fragen der Physik 1. Was sind die kleinsten Bausteine der Materie? 2. Welche fundamentalen Kräfte wirken zwischen ihnen? Elementarteilchenphysik = Hochenergiephysik 3. Wie entstand das Universum? Kosmologie, Astrophysik Methodik der Elementarteilchenphysik: Kollision von zwei Teilchen(-Strahlen), Untersuchung des Streuprozesses. Die Erforschung immer kleinerer Strukturen erfordert immer höhere Energien.

3 Zehn hoch... Schreibweise: 10 0 = 1, 10 1 = 10, 10 2 = 100, = = 1 Million, = = 1 Milliarde, 10 1 = 0.1, 10 2 = 0.01, 10 3 = 0.001, = = 1 Millionstel, 10 9 = = 1 Milliardstel, Mega, Giga = Mega, 10 9 = Giga, = Tera, = Peta,

4 Masse = Energie Ingenieure messen Energie in Joule, Physiker lieber in Elektronvolt: 1 ev = J Masse ist nur eine Form von Energie. Eine ruhender Körper mit Masse m hat die Energie E = mc 2 wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Wie geben eine Masse oft in Giga-Elektronvolt an: Ein Proton wiegt ca. 1 GeV. Ein Physiker wiegt GeV.

5 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

6 Proton, Elektron, Neutron Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Proton, das den Atomkern bildet, und einem Elektron in der Atomhülle:

7 Das Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down- Quark. Elektrische Ladungsquantenzahlen: Up-Quark: Down-Quark: Elektron Ladungsquantenzahl: Q = 2 3 Q = 1 3 Q = 1 Schwere Atomkerne enthalten auch Neutronen, die aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark bestehen. Proton: Q = = 1. Neutron: Q = = 0.

8 Noch mehr Materie... Es gibt drei Familien (oder Generationen) von Materieteilchen: Die Teilchen der zweiten und dritten Familie sind schwerer als die die ersten. Sie sind instabil und zerfallen in die Teilchen der ersten Familie. Man kann diese Teilchen in Hochenergiekollisionen erzeugen und dann ihre Zerfälle studieren.

9 Neutrinos Zu jeder Familie gehört auch ein Neutrino, das keine Ladung trägt. Man berechnet, dass im Universum 336 Neutrinos pro Kubikzentimeter sind. Neutrinos fliegen durch alles hindurch und treten nur selten in eine Wechselwirkung mit anderer Materie. Daher sind sie schwer nachzuweisen. Fermionen Materieteilchen nennt man auch Fermionen, zu Ehren von Enrico Fermi.

10 Antimaterie 1928 suchte P.A.M. Dirac nach einer mathematischen Beschreibung des Elektrons, die konsistent mit Albert Einsteins spezieller Relativitätstheorie war...

11 Antimaterie 1928 suchte P.A.M. Dirac nach einer mathematischen Beschreibung des Elektrons, die konsistent mit Albert Einsteins spezieller Relativitätstheorie war......und fand nur eine Gleichung mit zwei Lösungen, die zwei Teilchen mit gleicher Masse (von 511 kev) beschreiben. Jedoch: Die elektrischen Ladungen sind entgegengesetzt: Elektron: Q = 1 Positron: Q = 1 Positronen sind eine Form von Antimaterie, treffen Elektron und Positron aufeinander, so verwandeln sie sich in Strahlung mit einer Energie von kev.

12 Positronen = Anti-Elektronen wurden 1932 von Carl David Anderson in der kosmischen Höhenstrahlung entdeckt. Proton + Proton viele Teilchen + Energie ր ց Weltall Atmosphäre Elektron + Positron Heute ist die Produktion von Positronen Routine: Im HERA Beschleunigerring am DESY in Hamburg kollidierten Protonen manchmal mit Elektronen und manchmal mit Positronen.

13 Noch mehr Antimaterie... Ebenso erzeugt man heute im Labor in großer Zahl Antiprotonen, z.b. im US-amerikanischen Fermilab. Antiprotonen bestehen aus zwei Anti-Up-Quarks und einem Anti-Down-Quark und haben die Ladungsquantenzahl Q = 2 ( 2/3) + 1/3 = 1. Am CERN in Genf wurde 1995 erstmals Antiwasserstoff erzeugt, 2002 erstmals in großer Zahl, ca Dan Brown: Illuminati und:

14 Zusammenfassung: Materie Es gibt drei Familien von Materieteilchen (= Fermionen): Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen, mit gleicher Masse und entgegengesetzten Quantenzahlen. Die schwereren Teilchen der zweiten und dritten Familie werden in Hochenergie-Kollisionen erzeugt (z.b. in Teilchenbeschleunigern oder wenn ein hochenergetisches Teilchen aus dem Weltall auf die Atmosphäre trifft), zerfallen dann aber in die Teilchen der ersten Generation, aus denen die uns umgebende stabile Materie aufgebaut ist.

15 Kräfte ALLGEMEIN: KRÄFTE ENTSTEHEN DURCH AUSTAUSCH VON BOSONEN SCHEMATISCHE BESCHREIBUNG DURCH FEYNMANDIAGRAMME

16 Bosonen Kraftteilchen nennt man auch Bosonen, zu Ehren von Satyendra Nath Bose. Anstelle von Kraft spricht der Wissenschaftler lieber von Wechselwirkung. Oft stellten sich vermeintlich verschiedene Kräfte als unterschiedliche Erscheinungsformen der selben Kraft heraus.

17 Elektrizität Magnetismus ελεκτρoν elektron Bernstein ist elektrisch λιθoσ µαγνεσ lithos magnes Stein aus Magnesia

18 Die Forschungen von Coulomb, Volta, Biot, Ampère, Gauß, Ohm, Savart, Faraday, Maxwell und Hertz führten im 19. Jahrhundert zu der Erkenntnis, dass Elektrizität und Magnetismus verschiedene Formen der selben Kraft sind.

19 Die Forschungen von Coulomb, Volta, Biot, Ampère, Gauß, Ohm, Savart, Faraday, Maxwell und Hertz führten im 19. Jahrhundert zu der Erkenntnis, dass Elektrizität und Magnetismus verschiedene Formen der selben Kraft sind. Grundlagenforschung steht immer im Verdacht, nutzlos zu sein: Der britische Schatzkanzler William Gladstone fragte einmal Michael Faraday, welchen praktischen Nutzen seine Forschung über Elektrizität habe......und bekam zur Antwort:

20 Die Forschungen von Coulomb, Volta, Biot, Ampère, Gauß, Ohm, Savart, Faraday, Maxwell und Hertz führten im 19. Jahrhundert zu der Erkenntnis, dass Elektrizität und Magnetismus verschiedene Formen der selben Kraft sind. Grundlagenforschung steht immer im Verdacht, nutzlos zu sein: Der britische Schatzkanzler William Gladstone fragte einmal Michael Faraday, welchen praktischen Nutzen seine Forschung über Elektrizität habe......und bekam zur Antwort: Sir, eines Tages werden Sie Steuern darauf erheben.

21 Die Forschungen von Coulomb, Volta, Biot, Ampère, Gauß, Ohm, Savart, Faraday, Maxwell und Hertz führten im 19. Jahrhundert zu der Erkenntnis, dass Elektrizität und Magnetismus verschiedene Formen der selben Kraft sind. Elektrizität und Magnetismus wurden im Elektromagnetismus vereinheitlicht.

22 Die Forschungen von Coulomb, Volta, Biot, Ampère, Gauß, Ohm, Savart, Faraday, Maxwell und Hertz führten im 19. Jahrhundert zu der Erkenntnis, dass Elektrizität und Magnetismus verschiedene Formen der selben Kraft sind. Elektrizität und Magnetismus wurden im Elektromagnetismus vereinheitlicht. Licht wurde als elektromagnetische Welle erkannt.

23 Die Forschungen von Coulomb, Volta, Biot, Ampère, Gauß, Ohm, Savart, Faraday, Maxwell und Hertz führten im 19. Jahrhundert zu der Erkenntnis, dass Elektrizität und Magnetismus verschiedene Formen der selben Kraft sind. Elektrizität und Magnetismus wurden im Elektromagnetismus vereinheitlicht. Licht wurde als elektromagnetische Welle erkannt. Hertz und Hallwachs fanden auch, dass sich Licht in bestimmten Situationen wie ein Teilchen verhält (Photoeffekt). Später, aufbauend auf Erkenntnisse Plancks, entwickelte Einstein die Theorie der Lichtquanten, die wir heute Photonen nennen und als Lichtteilchen verstehen.

24 Der Erfolg des Elektromagnetismus hat den Physikern Ansporn gegeben, nach weiteren Vereinheitlichungen von Naturkräften zu suchen mit den Ziel einer großen Vereinheitlichung, einer einzigen Theorie, die alle Naturkräfte beschreibt. Begriffe: Weltformel, Theory of Everything (TOE). Im 19. Jahrhundert kannte man nur Elektromagnetismus und Gravitation (= Schwerkraft). Einstein hat viele Jahre seines Lebens mit dem Versuch verbracht, Elektromagnetismus und Gravitation zu vereinheitlichen......mehr zur Gravitation später.

25 Mehr Kräfte... Die starke Kraft (auch Kernkraft genannt) hält die Quarks zusammen. Sie sorgt dafür, dass die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammengehalten werden, und nicht unter der abstoßenden elektromagnetischen Kraft auseinanderfliegen. Kraftteilchen der starken Kraft: Gluonen. Sie sind masselos wie das Photon. Die schwache Kraft verursacht den radioaktiven Beta Zerfall, sie kann Quarks in andere Quarks und Elektronen in Neutrinos umwandeln. Beim Beta Zerfall zerfällt ein Down-Quark in eine Up-Quark, ein Elektron und ein Neutrino. Kraftteilchen der schwachen Kraft: W + Boson, W Boson und Z Boson. Sie sind massiv! Starke und schwache Kraft arbeiten in dem Prozess zusammen, der die Sonne leuchten lässt. Zu allen Kräften gehören Quantenzahlen. Z.B. trägt das Elektron die elektromagnetische Quantenzahl Q = 1, die starke Quantenzahl des Elektrons ist jedoch gleich 0. Das Elektron spürt die starke Kraft also nicht.

26 Der Ruhm der Entdeckung Das Elektron wurde in Großbritannien von J.J. Thomson im Jahr 1897 entdeckt. Die übrigen Materieteilchen wurden alle in den USA entdeckt. Das Photon wurde von Hertz, Hallwachs, Lenard und Einstein, also in Deutschland und der Schweiz identifiziert. Das Gluon wurde 1979 am DESY in Hamburg entdeckt. Die W und Z Bosonen wurden 1983 am CERN im schweizerisch französischen Grenzgebiet gefunden. Zum Standardmodell der Elementarteilchen gehört noch ein weiteres Boson: Das Higgs-Teilchen ist für die Erzeugung der Teilchenmassen notwendig. Es wird am CERN entdeckt werden.

27 Zusammenfassung: Kraftteilchen Stärke der Kraft = Ladungsquantenzahl mal Kopplungskonstante Die Kopplungskonstanten der Kräfte sind sehr verschieden, die Kräfte sind also bei weitem nicht gleich stark!

28 Zusammenfassung: Kraftteilchen Stärke der Kraft = Ladungsquantenzahl mal Kopplungskonstante Die Kopplungskonstanten der Kräfte sind sehr verschieden, die Kräfte sind also bei weitem nicht gleich stark! Es gibt nur drei Kopplungskonstanten... schönes Etappenziel auf dem Weg zur Weltformel, in der nur eine einzige Kopplungskonstante vorkommen sollte.

29 Zusammenfassung: Kraftteilchen Stärke der Kraft = Ladungsquantenzahl mal Kopplungskonstante Die Kopplungskonstanten der Kräfte sind sehr verschieden, die Kräfte sind also bei weitem nicht gleich stark! Stop! Fehlt da nicht etwas?

30 Zusammenfassung: Kraftteilchen Stärke der Kraft = Ladungsquantenzahl mal Kopplungskonstante Die Kopplungskonstanten der Kräfte sind sehr verschieden, die Kräfte sind also bei weitem nicht gleich stark! Was ist mit der Gravitation?

31 Gravitation als Quantentheorie? Können wir die Gravitation als Quantentheorie analog zur elektromagnetischen, starken und schwachen Kraft beschreiben? Mit einem Austauschteilchen Graviton? Die Gravitationskraft, die zwei Körper aufeinander ausüben, ist proportional zu den Massen der beiden Körper. Aber: Stärke der Kraft = Ladungsquantenzahl mal Kopplungskonstante Also: Masse als Quantenzahl der Gravitation?

32 Gravitation als Quantentheorie? Können wir die Gravitation als Quantentheorie analog zur elektromagnetischen, starken und schwachen Kraft beschreiben? Mit einem Austauschteilchen Graviton? Die Gravitationskraft, die zwei Körper aufeinander ausüben, ist proportional zu den Massen der beiden Körper. Aber: Stärke der Kraft = Ladungsquantenzahl mal Kopplungskonstante Also: Masse als Quantenzahl der Gravitation? Leider beißt sich das mit der Allgemeinen Relativitätstheorie, die im Experiment exzellent bestätigt ist!

33 Allgemeine Relativitätstheorie (Einstein 1913) R µν R 2 g µν }{{} Krümmung des Raumes = 8πG c 4 }{{} Naturkonstanten T µν }{{} Materie (Dichte, Druck,...) Einstein Masse

34 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

35 Rätsel Nr. 1 Warum ist die Gravitation anders als die anderen drei Naturkräfte? Wie kann die Gravitation zu einer Quantentheorie gemacht werden?

36 Rätsel Nr. 1 Warum ist die Gravitation anders als die anderen drei Naturkräfte? Wie kann die Gravitation zu einer Quantentheorie gemacht werden? Muss man das überhaupt?

37 Rätsel Nr. 1 Warum ist die Gravitation anders als die anderen drei Naturkräfte? Wie kann die Gravitation zu einer Quantentheorie gemacht werden? Muss man das überhaupt? In unseren Beschleunigerexperimenten können wir die Gravitation ruhig vergessen, weil sie viel schwächer ist als elektromagnetische, starke und schwache Kraft. Solange die Gravitation schwach ist, können wir sie sogar in unsere Rechnungen mit einbeziehen, über die von der Gravitation verursachte Raumkrümmung.

38 Rätsel Nr. 1 Warum ist die Gravitation anders als die anderen drei Naturkräfte? Wie kann die Gravitation zu einer Quantentheorie gemacht werden? Muss man das überhaupt? In unseren Beschleunigerexperimenten können wir die Gravitation ruhig vergessen, weil sie viel schwächer ist als elektromagnetische, starke und schwache Kraft. Solange die Gravitation schwach ist, können wir sie sogar in unsere Rechnungen mit einbeziehen, über die von der Gravitation verursachte Raumkrümmung. Jedoch: Wenn Massen so stark konzentriert sind, dass die Stärke der Gravitation mit der der anderen Kräfte vergleichbar wird, geht s schief, also z.b. bei Schwarzen Löchern, die beim Kollaps ausgebrannter schwerer Sterne entstehen, oder...am Beginn des Universums, direkt nach dem Urknall, in den ca. ersten Sekunden.

39 Rätsel Nr. 2 Die elektromagnetischen Ladungsquantenzahlen sind gerade so beschaffen, dass sich die Ladungen von Proton und Elektron genau kompensieren: Zum Glück: Durch diese Ladungsquantisierung sind Atome und Moleküle elektrisch neutral. Das ist eine Voraussetzung für stabile chemische Verbindungen und letzendlich für Leben.

40 Dieses Rätsels Lösung? Das Muster der Quantenzahlen von Quarks, Elektronen und Neutrinos zeigt klar, dass man alle Materieteilchen einer Familie als ein einziges Objekt auffassen kann. Die elektromagnetische, starke und schwache Kraft, die auf diese Teilchen wirken, werden dann identisch. Diese drei Käfte können in der Tat in einer vereinheitlichten Theorie beschrieben werden. In vereinheitlichten Theorien ist die erwünschte Ladungsquantisierung automatisch realisiert.

41 Große Vereinheitlichung Jedoch: Wie können elektromagnetische, starke und schwache Kraft identisch sein, wenn sie verschiedene Kopplungskonstanten haben?

42 Große Vereinheitlichung Jedoch: Wie können elektromagnetische, starke und schwache Kraft identisch sein, wenn sie verschiedene Kopplungskonstanten haben? Man hat berechnet (und experimentell bestätigt), dass die Kopplungkonstanten sich ändern und auf einen gemeinsamen Wert zulaufen, wenn man die Kräfte bei kürzeren Abständen misst.

43 Große Vereinheitlichung Jedoch: Wie können elektromagnetische, starke und schwache Kraft identisch sein, wenn sie verschiedene Kopplungskonstanten haben? Man hat berechnet (und experimentell bestätigt), dass die Kopplungkonstanten sich ändern und auf einen gemeinsamen Wert zulaufen, wenn man die Kräfte bei kürzeren Abständen misst. Das heißt, die Große Vereinheitlichung ist nur bei kurzen Abständen, einem tel des Protonradius, realisiert. Das entspricht Energien von GeV! Dort sind dann die Materieteilchen einer Familie identisch, und es gibt nur noch ein Materieteilchen pro Familie. Ebenso sind alle Kraftteilchen identisch.

44 Mehr vom Weltall Das Universum entstand vor 13,7 Milliarden Jahren in einem Urknall.

45 Mehr vom Weltall Das Universum entstand vor 13,7 Milliarden Jahren in einem Urknall. Woher wissen wir das?

46 Mehr vom Weltall Das Universum entstand vor 13,7 Milliarden Jahren in einem Urknall. Woher wissen wir das? Die Einsteinsche Allgemeine Relativitätstheorie lässt uns zunächst nur die Wahl zwischen einem expandierenden und einem kollabierenden Universum. Die Hypothese eines aus einem Urknall hervorgegangenen, expandierenden Universums bringt eine Fülle von Vorhersagen mit sich, die man durch Beobachtung überprüfen kann.

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

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

49 3. BEOBACHTUNG: KOSMISCHE HINTERGRUNDSTRAHLUNG (Penzias, Wilson 1956) 2.7 K TEMPERATURSTRAHLUNG LICHTBLITZ DES URKNALLS Körper mit Temperatur T [K] strahlen mit Frequenzverteilung ν

50 Kosmische Hintergrundstrahlung Die kosmische Hintergrundstrahlung, die Penzias und Wilson fanden, ist so etwas wie das Licht-Echo des Urknalls. Die Frequenz dieser Photonen entspricht einer Temperatur von 2,7 C über dem absoluten Nullpunkt. Mit der Expansion des Universums haben sich diese im frühen Universum erzeugten Photonen abgekühlt. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist mittlerweile sehr gut verstanden: Man konnte ihre Helligkeitsschwankungen und die Polarisation der Photonen berechnen und danach erfolgreich mit Satelliten-Beobachtungen vergleichen.

51 Rätsel Nr. 3 Nur: Die Daten der kosmischen Hintergrundstrahlung zeigen klar, dass es im Weltall mehr Materie gibt, als wir sehen, kennen oder berechnen: Sterne und ihre Überbleibsel, intergalaktischer Staub, freier Wasserstoff, freies Helium und Neutrinos machen gerade einmal ein Siebtel der Materie des Universums aus!

52 Hinweise auf mysteriöse Dunkle Materie sind nicht neu: Schon 1933 beobachtete Fritz Zwicky einen Galaxienhaufen aus etwas 1000 Galaxien, der eigentlich hätte auseinanderfliegen müssen, aber wie von Zauberhand zusammengehalten wurde, offensichtlich durch die zusätzliche Gravitation Dunkler Materie. Noch klarer beobachtet man die Gravitation Dunkler Materie in den Rotationskurven sogenannter Spiralgalaxien.

53 DUNKLE MATERIE Kepler

54 Energiebilanz des Universums: Rätsel Nr. 4 Dunkle Materie bremst die Expansion des Universums. Man schließt aus Beobachtungen (der Expansion und der Krümmung) jedoch auch auf die Existenz Dunkler Energie, die die Expansion des Universums beschleunigt. Nur 5% des Energiehaushalts des Universums sind verstanden!

55 Ausblick In drei Monaten wird der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik (CERN) in Betrieb gehen. Dort werden Protonen zunächst mit einer Energie von 10 TeV (später 14 TeV) kollidieren, um die Naturgesetze bis hinunter zu Abständen von einem Tausendstel des Protonradius zu erforschen. Der LHC wird das Higgs-Teilchen finden, das für die Erzeugung der Teilchenmassen gebraucht wird. Er wird mit großer Wahrscheinlichkeit auch die mysteriösen Teilchen erzeugen, die die Dunkle Materie bilden. Weiter erhoffen wir uns neue Erkenntnisse über die Vereinheitlichung der Kräfte, also den nächsten Schritt hin zur Weltformel.

56 Luftbild:

57 Tunnel:

58 Daten Umfang: Vakuum: Dipolmagnete: Protonstrahl: Kollisionen: Datenmenge: Kosten: 27 km atm in 8500 m 3 Volumen Magnetfeld 8,3 T, supraleitend bei 1,9 K = -271,3 C Umläufe pro Sekunde 600 Millionen pro Sekunde 1 Petabyte pro Sekunde Entwicklung des World Wide Grid 6 Mrd. Euro

59 Daten Umfang: Vakuum: Dipolmagnete: Protonstrahl: Kollisionen: Datenmenge: Kosten: 27 km atm in 8500 m 3 Volumen Magnetfeld 8,3 T, supraleitend bei 1,9 K = -271,3 C Umläufe pro Sekunde 600 Millionen pro Sekunde 1 Petabyte pro Sekunde Entwicklung des World Wide Grid 6 Mrd. Euro Der britische Schatzkanzler William Gladstone würde jetzt nach dem praktischen Nutzen fragen.

60 Medizintechnik, Positron Elektron Tomografie:

61 Am CERN wurde das World Wide Web erfunden:

62 Mehr Information Speziell für Schüler: