Teilchenphysik: Unsichtbares sichtbar machen. Thomas Trefzger

Transkript

1 Teilchenphysik: Unsichtbares sichtbar machen Thomas Trefzger

2 Black_Hole_Final.mov : Angst vor Weltuntergang - Amerikaner klagt gegen Teilchenbeschleuniger Walter Wagner hat Angst. Er fürchtet, dass Schwarze Löcher entstehen könnten, wenn im Herbst der Teilchenbeschleuniger LHC in Genf die Arbeit aufnimmt - und dass dies das Ende der Welt bedeutet. Das will der Amerikaner gerichtlich verhindern.

3 10.September 2008: Start des LHC 300 Journalisten am CERN 450 Fernsehstationen berichten 2100 Berichte weltweit 100 Millionen Zugriffe auf Topnachricht des Tages ( kein Weltuntergang)

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10 Elementare Fragen: Woraus bestehen wir? Was hält die Welt zusammen? Woher kommen wir? Wie ist das Universum entstanden? Was ist Antimaterie? Was ist dunkle Materie?

11 Größenordnungen

12 1 KiloElektronVolt = 1 kev = 1000 ev 1 MegaElektronVolt = 1 MeV = ev 1 GigaElektronVolt = 1 GeV = ev 1 GeV: viel für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0, Sekunden zum Leuchten bringen Einschub: nützliche Einheiten für Teilchen Größe: 1 fm = 1 Femtometer ( Fermi ) = m (1 µm = fm) Energie: 1 ElektronVolt = 1eV

13 Treffgenauigkeit Quantenmechanische Eigenschaft eines Teilchens Hat *keine* Entsprechung in unserer Erfahrungswelt (Notbehelf: Wellenbild, *sehr* irreführend) Grundregel (für hochenergetische Teilchen): Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV) zum Beispiel: 0,2 fm bei 1 GeV = 1000 MeV 200 fm bei 1 MeV = 1000 kev 0,00001 µm = fm bei 20 kev 0,1 µm bei 2 ev 0,2 µm bei 1 ev >0,15µm

14 Die Struktur des Atoms 1911 Rutherford Beschuss von Goldfolie mit Heliumkernen Treffgenauigkeit: 1 fm Atomdurchmesser: fm Harter Kern: 5 fm (Kern : Atom) wie (Kirsche : Fußballfeld) 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff Beobachtung einzelner Protonen 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium Beobachtung einzelner Neutronen kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen umgeben von riesiger Elektronenhülle

15 Aufbau eines Atoms

16 Der Teilchenzoo

17 Protonen und Neutronen sind nicht elementar! Indirekte Hinweise: z.b. Ordnungsschema (60er Jahre) 3 Quarks: up-,down-,strange-quark (u,d,s) Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen Quarks 1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg 1 fm

18 Einführung von Quarks Gell-Mann (Nobelpreis 1969) Quarks als Elementarteilchen Ladung -1/3, 2/3 noch nie frei gesehen

19 Kann man Quarks sehen? Streuexperiment Nobelpreis 1990

20 Einführung von Farbladung Quarks haben Farbladung 3 Farben (rot, grün, blau) Nur farblose Teilchen

21 Was hält den Kern zusammen? Kern besteht aus Proton und Neutron (NP 1935, Chadwick) Proton und Neutron aus u- und d-quarks Experimente mit Beschleunigern

22 Quarks haben Hausarrest (confinement) Austausch von Gluonen

23 Standardmodell braucht viertes Quark S.Ting und B.Richter (Nobelpreis 1976) Entdeckung des charm-quarks J/Psi-Teilchen Entdeckung des bottom-quarks durch L.Lederman (Nobelpreis 1988)

24 1955 Entdeckung des Antiprotons 1969 Innere Struktur des Nukleons 1974 Entdeckung des J/Psi-Teilchens (c-quark) 1976 Entdeckung des Tau-Leptons 1983 Entdeckung des W-Bosons und des Z-Bosons 1995 Entdeckung des top-quarks

25 Das Standardmodell

26 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 (Energie) vernichten

27 Konzept der Wechselwirkungen 4 fundamentale Wechselwirkungen Gravitation (Schwerkraft) Elektromagnetismus S N Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung n p nn q q n pn p ppn n p p n p n p

28 Wechselwirkung zwischen Teilchen Gravitation: Anziehung von Massen Stärke: Reichweite: unendlich Schwache WW: radioaktiver Zerfall von Atomkernen Stärke: 10-5 Reichweite: sehr klein Elektromagnetische WW: Gleiche Ladungen stoßen sich ab und ungleiche ziehen sich an Stärke: 1 Reichweite: unendlich Starke WW: anziehende WW zwischen den Quarks, hält den Atomkern zusammen Stärke: 100 Reichweite: ~ m

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

30 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

31 Zusammenfassung Kräfte Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren Sowie die Bildung von Teilchenjets aus Quarks

32 Teilchennachweis

33 Jede Teilchenart hinterlässt eine bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten Teilchenidentifikation = Detektivarbeit Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

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

35 Direkter Nachweis von Quarks im Proton e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e p 900 GeV

36 Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Haben Sie auch daheim! Funktionsprinzip: Beschleuniger: LHC, CERN Fermilab, Chicago (in Betrieb) DESY, Hamburg (in Planung)

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40 Der Large-Hadron-Collider LHC am CERN, Genf

41 LHC verschafft erstmals Zugang zu: Strukturen und Abständen von Metern Massen auf der Teraskala (E=mc 2 =1 TeV) Entwicklung des Universums von s bis s nach dem Urknall Fortschritt von einer Größenordnung gegenüber bestehenden Beschleunigeranlagen

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43 300 supraleitende Dipolmagnete Liter Helium bei 1.9 Kelvin 7 Kilometer Umfang agnetfeld 8 Tesla

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46 ATLAS Kollaboration am LHC

47 ATLAS Management

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49 170 Unis/Institute aus 35 Ländern, 2200 Mitglieder

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53 ATLAS Myonspektrometer 5500 qm Fläche 1200 Präzisionskammern Driftrohre Positionierung auf 50 Mikrometer

54 ATLAS Trigger

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56 Herausforderung bei LHC p-p Kollisionen alle 25 Nanosekunden (40 MHz) Etwa 25 inelastische Ereignisse pro Kollision Hohe Detektorgranularität (100 Millionen Kanäle) Datenrate von 100 TByte/sec, etwa DVD s pro Sekunde! Sehr effiziente Selektion in quasi Echtzeit Interessante Ereignisse: ~1 pro Sekunde

57 ATLAS Trigger Nicht alle Kollisionen sind interessant Trigger muss in 2 Mikrosekunden entscheiden! Eventuell interessante Ereignisse -> Abspeichern Mögliche Entdeckungen -> nur % Was wir suchen tritt nur bei jeder 10-Milliardsten Kollision auf!

58 12 Größenordnungen Wirkungsquerschnitte am LHC

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60 Der Higgsmechanismus Wie gebe ich den Botenteilchen W und Z eine Masse? Higgsteilchen im Standardmodell gefordert Entsteht Masse wirklich durch Kopplung an Hintergrundfeld? Dann müssen Teilchen auch Hintergrundfeld anregen = Higgs Boson (=Beweis des Hintergrundfelds)

61 Wie die Masse entsteht (1)

62 Wie die Masse entsteht (2)

63 Wie die Masse entsteht (3)

64 Wie Higgs-Teilchen erzeugt werden (1)

65 Wie Higgs-Teilchen erzeugt werden (2)

66 Wir wissen Die zugrunde liegende Theorie (Standardmodell) ist vielfach getestet Higgs-Bosonen (oder ein Ersatz dafür) müssen in dem LHC zugänglichen Energiebereich liegen und nachweisbar sein ATLAS ist für die Entdeckung von Higgs- Bosonen perfekt vorbereitet.

67 Vorhersagekraft des Higgs Mechanismus Ist die Higgs Hypothese überprüfbar? Ja! Entdecke Higgs Boson(en) und messe ihre Zerfälle Lernen wir was Masse ist? Ja! Die Stärke der Kopplung ans Higgsfeld Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher? Nein! Außer M W / M Z Verhältnis stimmt auf besser als 1%0 Standardmodell Vorhersage: M W =(80.36 ± 0.02)GeV Direkte Messung: M W =(80.40 ± 0.03)GeV Differenz: D = (0.04 ± 0.04)GeV Fit der SM Higgs Masse: M H = ( )GeV

68 Higgs Masse unbekannt: Viele Produktionsmechanismen Viele mögliche Zerfälle Higgs Suche bei ATLAS Nach 1-3 Jahren gut verstandener Daten: Higgs Boson kann bei allen Massen entdeckt werden

69 Standardmodell und offene Fragen 3 Familien von Elementarteilchen Stabile Materie (p, n, e) nur aus erster Familie Warum dann drei? Alle Wechselwirkungen beruhen auf Ladungssymmetrien Gluonen sorgen für Symmetrie und binden die Quarks Warum diese Symmetrien? Weitere Symmetrien? z.b: Supersymmetrie SUSY zwischen Baustein- und Botenteilchen?

70 Supersymmetrie Existieren Supersymmetrische Teilchen? würden helfen, mehrere theoretische Fragen zu lösen Vereinigung aller Kräfte Relativ niedrige Higgs Masse Leichtestes SUSY Teilchen stabil = Dunkle Materie? Direkte Entdeckung möglich bei LHC

71 Mit dem LHC zurück zum Urknall Heißes Universum <-> typische Teilchenenergie Sonne: T = 10 7 K <-> E = 10-6 GeV LHC : T > K <-> E > 10 3 GeV (>10 9 mal höher!) Alter Temperatur Energie Größe s K GeV Nadelspitze s K GeV Tennisball s K 10 9 GeV 50 km s K GeV wie Sonne s K 100 GeV 10-6 s K 1 GeV wie Sonnen -system 1s K GeV 1 Lichtjahr 1 min 10 9 K GeV 50 Lichtjahre 1 Jahr 10 6 K GeV wie Milchstraße Jahre K 1 ev 1 Million Lichtjahre heute 3 K 10-4 ev 10 Milliarden Lichtjahre Theorien LHC (p+p) gemessene Einzelprozesse (2006)

72 Geschichte der Physik LHC LEP

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74 Ausstellung: Weltmaschine LHC Wo: U-Bahnhof Bundestag, Berlin (Nähe Hauptbahnhof, zwischen Bundeskanzleramt und Paul-Löbe-Haus, Eingang Otto-von-Bismarck- Allee) Wann: 15. Oktober bis 16. November 2008 Öffnungszeiten: täglich 10 bis 19 Uhr, donnerstags bis 22 Uhr Eintritt: Eintritt frei

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