Teilchenphysik Masterclasses. Das Leben, das Universum und der ganze Rest

Transkript

1 Teilchenphysik Masterclasses Das Leben, das Universum und der ganze Rest 1

2 Teil 1: Einführung Warum Teilchenphysik? 2

3 Fundamentale Fragen Wer? Wie? Wieviel? Was? Wo? Wann? Warum? 3

4 Warum Teilchenphysik? Interesse und Neugier! Erkenntnisgewinn über Geschichte, Funktionsweise und Aufbau des Universums Anwendungen: World Wide Web Medizin: Tumortherapie, PET Weiterentwicklung von Technologien für Computerchips, Detektoren, Magnete uvm. 4

5 Warum Teilchenphysik? 5

6 Wie forschen Teilchenphysiker? Medizin: Krankheitserreger verursachen beobachtbare Symptome Teilchenphysik: Interaktion von Teilchen nicht direkt beobachtbar, nur sog. Endzustände 6

7 Wie forschen Teilchenphysiker? Medizin: teure, hochkomplexe Maschinen Teilchenphysik: teure, hochkomplexe Maschinen $1.5 Millionen $450 Millionen 7

8 Wie forschen Teilchenphysiker? p p? Beschleuniger Theorie Detektor 8

9 Teil 2: Theoretisches Wie Physiker sich die Welt vorstellen 9

10 Was ist Teilchenphysik? Lehre von den fundamentalen Bausteinen der Natur und ihren Wechselwirkungen...? 10-2 m 10-9 m m m m < m 10

11 Bausteine der Materie alle stabile Materie ist aufgebaut aus Elektronen und Up und Down Quarks 11

12 Bausteine der Materie schwerere Kopien der ersten Bausteine aller stabilen Materie Generation, instabil 12

13 Elementarteilchen haben keine Ausdehnung (punktförmig) haben Eigenschaften: Masse, Ladung, Spin... jedes geladene Teilchen hat ein entgegengesetzt geladenes Anti-Teilchen (mit der gleichen Masse) 13

14 Was ist Teilchenphysik? Lehre von den fundamentalen Bausteinen der Natur und ihren Wechselwirkungen. Gravitation Elektromagnetismus schwache Kraft starke Kraft 14

15 Wechselwirkungen 4 Wechselwirkungen erklären alle physikalischen Phänomene Planetenbewegung Elektromagnetische Wellen, Zusammenhalt von Atomen, Chemie, Magnetismus Kernzerfälle (Betazerfall), Kernfusion, Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie Anziehung zwischen Quarks, Zusammenhalt von Atomkernen 15

16 Wechselwirkungen Jemand telefoniert mit dem Handy Ein Atomkern wandelt sich durch Betazerfall in einen anderen um Viele Atomkerne sind stabil, obwohl sich die Protonen untereinander abstoßen Eine Kompassnadel richtet sich nach Norden aus Ein Glas fällt vom Tisch Zwei Atome gehen eine chemische Verbindung ein Zwei Up-Quarks und ein Down-Quark bilden ein Proton 16

17 Wechselwirkungen, wie? durch Austauschteilchen Quarks und Leptonen kommunizieren untereinander indem sie Austauschteilchen aussenden/einfangen 17

18 Wechselwirkungen, wer? Graviton? 18

19 Betazerfall aus Physikersicht Neutron Proton 19

20 Wer wechselwirkt wie? 20

21 Warum braucht es das Higgs? Massen der Elementarteilchen im Standardmodell nicht einführbar ohne Theorie zu zerstören Idee: Alle Teilchen bewegen sich durch ein neu eingeführtes Feld (Higgs-Feld) -> erhalten so Masse Anregungen des Feldes sind die Higgs-Teilchen 21

22 Ende Teil 1 22

23 Teil 2: Wie findet man das Higgs? 23

24 Wie findet man das Higgs? Man benötigt einen Teilchenbeschleuniger und einen Detektor! ATLAS LHC 24

25 LHC - Large Hadron Collider 27 km langer Tunnel ca. 100m tief gelegen supraleitende Magnete halten Protonen auf Bahn Protonen kreisen mit 4 TeV Energie Tests bei 450 GeV : Strahl durchschlägt 100 2mm Zinkplatten sehr sehr energiereich 25

26 Large Hadron Collider Im LHC durchlaufen Pakete (Bunches) von Protonen eine kreisförmige Bahn, auf der sie beschleunigt werden (elektrisches Wechselfeld) abgelenkt werden (Dipol-Magnete) und fokussiert werden (Quadrupol-Magnete) 26

27 Wonach halten wir Ausschau? Theorie sagt mögliche Reaktionen voraus Hier: 2 Gluonen fusionieren zu einem Higgs-Teilchen Higgs-Teilchen zerfällt in 2 W-Bosonen 27

28 Wie findet man W-Bosonen? man sucht nach Zerfallsprodukten, die man in Detektoren beobachten kann gut geeignet schlecht geeignet 28

29 ATLAS Detektor 29

30 ATLAS Detektor Spurdetektor: misst Spuren und Impulse geladener Teilchen Myonspektrometer: misst Impuls und Spuren von Myonen Elektromagn. Kalorimeter: misst Energie von Elektronen, Positronen und Photonen Hadronisches Kalorimeter: misst die Energie von aus Quarks bestehend Teilchen (Hadronen) 30

31 MINERVA 31

32 Teilchenerkennung Wo wird Signal hinterlassen? Was ist die Ladung? Wie hoch ist der Impuls/die Energie? 32

33 Teilchenerkennung: Elektronen Spur im inneren Detektor Eintrag im el. Kalorimeter Photonen: Wie Elektronen aber keine Spur 33

34 Teilchenerkennung: Myonen Spur im inneren Detektor Spur im Myonspektrometer Einträge in den Kalorimetern 34

35 Teilchenerkennung: Quarks Bündel an Spuren (geladene Hadronen) Einträge in beiden Kalorimetern 35

36 Teilchenerkennung: Neutrinos Neutrinos nicht direkt beobachtbar Ersatzgröße: Fehlender transversaler Impuls (MET) berechnet aus Impulsen der anderen Teilchen im Detektor 36

37 Variablen: Transversaler Impuls wissen nicht, welchen Impuls die kollidierenden Teilchen genau haben verwenden deshalb nur den Teil senkrecht zum Strahl (transversal) 37

38 Steckbrief Higgs-Ereignisse 38

39 Aktiv werden! Minerva starten: Minerva.jar User: PW: Strichliste für Signalereignisse führen Übung 1: Übung 2: Jedes Team erhält Datenpaket mit Ereignisbilder 39

40 Externe Bildnachweise Folie 6: (FOX) Folie 7: wikipedia.de, FOX, CERN Folie 8: CERN 40