Die Welt der kleinsten Teilchen
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- Lilli Pfaff
- vor 6 Jahren
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Transkript
1 Die Welt der kleinsten Teilchen Woraus ist die Welt, woraus sind wir selbst gemacht? (Dank an Prof. Kolanoski und Prof. Kobel fuer die Ueberlassung einiger Folien) 1
2 Die Welt der kleinsten Teilchen Woraus ist die Welt, woraus sind wir selbst gemacht? t s is a W da n? dri Gedanken der griechischen Philosophen: Demokrit ( v.ch.) u.a.: Materie besteht aus unteilbaren, kleinen Bausteine = atomos (α τ ο µ ο σ ) = unteilbar Aber auch: Aristoteles u.a.: Der Raum ist kontinuierlich mit Materie ausgefüllt 2
3 Die Materie ist körnig, aus Bausteinen aufgebaut Empirische Hinweise auf atomare Struktur der Materie erst im 19.Jahrhundert: 1) Elemente verbinden sich in immer gleichen Gewichtsverhältnissen: 16g Sauerstoff + 2 g Wasserstoff = 18 g Wasser 2 : 16 weil Masse(O) = 16 Masse(H) 2) Druck und Temperatur in Gasen erklärbar durch bewegte Teilchen Schlussfolgerungen sind indirekt. Konkreter fragen, z.b.: Wie gross sind die Teilchen? 3
4 4
5 Immer noch indirekt. Kann man Teilchen sichtbar machen? 5
6 Wie kann man kleine Teilchen sehen? E.Rutherford misst die Struktur der Atome durch Streuversuche 6
7 Wie kann man kleine Teilchen sehen? E.Rutherford misst die Struktur der Atome durch Streuversuche a) Rutherfords Erwartung b) Rutherfords Ergebnis Rutherford Applet 7
8 Rutherford s Atommodell: 1014 m 108 m Kern : Atom = 1 : das Atom ist leer! Und das Atom ist nicht unteilbar es besteht aus Elektronen und dem Kern und woraus bestehen die? 8
9 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen 1/ > 0,01 < m Kristall 1/ m Molekül 1/ m Atom 1/ / m Atomkern m Proton <10-18 m Quark, Elektron Elektron, Quark: <10-18m = 0, m punktförmig? 9
10 Die Struktur der Materie: Materie ist aus Bausteinen aufgebaut, Vielfalt der Natur durch Zusammensetzen von Elementarem 10
11 Beobachtung Es gibt Elementarteilchen Und Elementarkräfte Warum eigentlich? Theorie: 11
12 Beobachtung Es gibt Elementarteilchen Und Elementarkräfte Entspricht der Theorie: Relativitaet+Quantenmechanik 12
13 Experimente Welche Teilchen? Welche Kräfte? Antworten durch Experimente 13
14 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen 1/ > 0,01 < m Kristall 1/ m Molekül 1/ m Atom 1/ / m Atomkern m Proton <10-18 m Quark, Elektron Elektron, Quarks: fundamentale Elementarteilchen 14
15 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen Systematik 4 Teilchen reichen, um alle Materie im Alltag zu beschreiben! Proton = u,u,d Neutron= d,d,u Atome = e,protonen,neutronen Neutrinos z.b. aus Kernfusion in der Sonne 15
16 Experimente Welche Teilchen? Welche Kräfte? Antworten durch Experimente 16
17 Die fundamentalen Kräfte in der Natur p n n n pn p n n np p n p p pp p n 17
18 Teilchen als Kraftvermittler Abstoßend Anziehend Kraft durch Austauschteilchen vermittelt 18
19 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen Systematik 4 MaterieTeilchen und 4 KraftTeilchen reichen, um alle Alltagsphaenomene zu beschreiben! 19
20 Experimente Es gibt noch mehr Teilchen, die bei sehr hohen Energien auftreten! Welche Teilchen? Welche Kräfte? Antworten durch Experimente 20
21 ZEUS H1 20 Ge 9 n e Proton Ele ktro nen V GeV 21
22 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen Systematik 2 weitere Generationen von Materieteilchen identische Eigenschaften, nur andere Masse warum???? 22
23 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen Systematik Dies ist heute gesichertes2 weitere Wissen! Generationen von Materieteilchen Theorie: dies kann aber nicht alles sein! Teilchenmassen nur im Einklang mit identische Eigenschaften, nur andere Masse Relativitaet+Quantenmechanik, wenn es zusaetzliche Teilchen gibt!!! warum???? Vorhersage: Higgsboson! 23
24 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen Systematik Diese Teilchen definieren das Standardmodell eine in sich geschlossene Theorie, die alle beobachteten Phaenomene beschreibt 24
25 HIGGSTeilchen HiggsTeilchen gibt allen Teilchen Masse Wie kann man das verstehen???? Masse Trägheit Der britische Wissenschaftsminister wollte das auch verstehen, bevor er das Geld für den Large Hadron Collider locker macht.. 25
26 Wie die HIGGSTeilchen träge machen Partygäste Prominenter kommt Wellenbewegung in Richtung Tür Masse Trägheit Gäste = HiggsFeld Prominenter = massives Teilchen Gäste suchen die Nähe des Prominenten Prominenter wird unbeweglich bekommt Masse 26
27 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen Systematik Diese Teilchen definieren das Standardmodell Vorhersage: HiggsFeld fuellt das ganze Universum aus Wellenbewegung im HiggsFeld = HiggsTeilchen experimentell nachweisen! 27
28 Large Hadron Collider im CERN/Genf 28
29 Large Hadron Collider im CERN/Genf Suche nach HiggsTeilchen ATLAS detector 29
30 Large Hadron Collider im CERN/Genf Suche nach HiggsTeilchen file:///home/desktop/tpk.jpg ATLAS detector 30
31 Large Hadron Collider im CERN/Genf Suche nach HiggsTeilchen Verstaendnis des Urknalls ATLAS detector 31
32 Large Hadron Collider im CERN/Genf file:///home/desktop/060821_darkmatter.jpg Suche nach HiggsTeilchen Verstaendnis des Urknalls Untersuchung von dunkler Materie Dunkle Materie Normale Materie ATLAS detector 32
33 Offene Fragen Gibt es das HiggsTeilchen/Feld wirklich??? 33
34 Offene Fragen Gibt es das HiggsTeilchen/Feld wirklich??? > LHC Warum 3 Generationen???? > schwierig 34
35 Offene Fragen Gibt es das HiggsTeilchen/Feld wirklich??? > LHC Warum 3 Generationen???? > schwierig Woher die Struktur der Kraefte und der Quarks/Leptonen??? > grosse Vereinigung (GUT) > erste Hinweise von Theorie und Experiment 35
36 Offene Fragen Gibt es das HiggsTeilchen/Feld wirklich??? > LHC Gibt es wirklich nur ein einzelnes HiggsTeilchen??? > wahrscheinlich nicht!!! > wahrscheinlich gibt es noch viel mehr Teilchen, die wir noch nicht kennen!!! > und auch neue Strukturen 36
37 Offene Fragen Supersymmetrie: Jedes Teilchen hat SUSY Partner (aehnlich Antimaterie) 37
38 Offene Fragen Fundamentale Fragen: Woher kommt HiggsFeld? Gibt es grosse Vereinigung? Woraus besteht dunkle Materie? Supersymmetrie: Jedes Teilchen hat SUSY Partner (aehnlich Antimaterie) 38
39 Offene Fragen Fundamentale Fragen: SUSY erzeugt HiggsFeld Woher kommt HiggsFeld? Gibt es grosse Vereinigung? Mit SUSY moeglich Woraus besteht dunkle Materie? SUSY Teilchen? Supersymmetrie: Jedes Teilchen hat SUSY Partner (aehnlich Antimaterie) 39
40 Large Hadron Collider im CERN/Genf Suche nach HiggsTeilchen Suche nach SUSYTeilchen Verstaendnis des Urknalls Untersuchung von dunkler Materie ATLAS detector 40
41 Das Ziel: die Welt verstehen. file:///home/desktop/bb.jpg vom Kleinsten.bis zum Größten + Kraftteilchen γ, W±, Z0, 8 Gluonen, Graviton + Higgs 41
42 Einschub: Beispiele f. theoretische Ueberlegungen Fundamentale Folgerungen aus fundamentalen Naturgesetzen Quantenmechanik + Relativitaetstheorie
43 Wie gross sind Elementarteilchen?...immer kleinere Bestandteile? Unschaerferelation der Quantenmechanik Annahme: Teilchengroesse R Teilchenmasse/Ruheenergie M Annahme: Teilchen besteht aus kleineren Bestandteilen: Aber: Damit: x R, p M x p ħ /2 R M ħ /2 ħ /2 = GeV m
44 Wie gross sind Elementarteilchen?...immer kleinere Bestandteile? Unschaerferelation der Quantenmechanik Annahme: Teilchengroesse R Teilchenmasse/Ruheenergie M Atom Proton Quarks m m m 1GeV 1GeV 0.1GeV Annahme: Teilchen besteht aus kleineren Bestandteilen: Aber: Damit: x R, p M x p ħ /2 R M ħ /2 ħ /2=10 16 GeV m
45 Wie gross sind Elementarteilchen?...immer kleinere Bestandteile? Unschaerferelation der Quantenmechanik Annahme: Teilchengroesse R Teilchenmasse/Ruheenergie M Atom Proton Quarks m m m 1GeV 1GeV 0.1GeV Annahme: Teilchen besteht aus kleineren Bestandteilen: Aber: Damit: x R, p M x p ħ /2 R M ħ /2 Pruefen Sie, ob das stimmt! ħ /2=10 16 GeV m
46 Wie gross sind Elementarteilchen?...immer kleinere Bestandteile? Unschaerferelation der Quantenmechanik Annahme: Teilchengroesse R Teilchenmasse/Ruheenergie M Atom Proton Quarks m m m 1GeV 1GeV 0.1GeV Annahme: Teilchen besteht aus kleineren Bestandteilen: Kann stimmen (und stimmt auch) fuer Atom, Proton, aber nicht fuer Quarks, Elektronen > wirklich elementar!?!
47 file:///home/desktop/pole_barn1a.png file:///home/desktop/pole_barn2a.png Ruhe: L Stab =5m, L Garage =4m Relativgeschwindigkeit : km/ sec, v/c =4/5 Laengenkontraktion :Faktor 1 v/c 2 L Stab =? L Garage =? L Stab =? L Garage =?
48 file:///home/desktop/pole_barn1a.png file:///home/desktop/pole_barn2a.png Ruhe: L Stab =5m, L Garage =4m Relativgeschwindigkeit : km/ sec, v/c =4/5 Laengenkontraktion :Faktor 1 v/c 2 L Stab =3m L Garage =4m Stab passt hinein! L Stab =5m L Garage =2.4m Stab passt nicht hinein!
49 file:///home/desktop/pole_barn1a.png file:///home/desktop/pole_barn2a.png Ruhe: L Stab =5m, L Garage =4m Relativgeschwindigkeit : km/ sec, v/c =4/5 Laengenkontraktion :Faktor 1 v/c 2 L Stab =3m L Garage =4m Stab passt hinein! L Stab =5m L Garage =2.4m Vorher/Nachher relativ!
50 file:///home/desktop/pole_barn1a.png file:///home/desktop/pole_barn2a.png Ruhe: L Stab =5m, L Garage =4m Relativgeschwindigkeit : km/ sec, v/c =4/5 Laengenkontraktion :Faktor 1 v/c 2 L Stab =3m L Garage =4m Stab passt hinein! L Stab =5m L Garage =2.4m Stab passt nicht hinein!
51 file:///home/desktop/pole_barn1a.png file:///home/desktop/pole_barn2a.png Ruhe: L Stab =5m, L Garage =4m Relativgeschwindigkeit : km/ sec, v/c =4/5 Laengenkontraktion :Faktor 1 v/c 2 L Stab =3m L Garage =4m Stab passt hinein! L Stab =5m L Garage =2.4m Stab passt nicht hinein!
52 file:///home/desktop/pole_barn1a.png file:///home/desktop/pole_barn2a.png Ruhe: L Stab =5m, L Garage =4m Relativgeschwindigkeit : km/ sec, v/c =4/5 Laengenkontraktion :Faktor 1 v/c 2 L Stab =3m L Garage =4m Stab passt hinein! L Stab =5m L Garage =2.4m Stab passt nicht hinein! + + +
53 file:///home/desktop/pole_barn1a.png file:///home/desktop/pole_barn2a.png Ruhe: L Stab =5m, L Garage =4m Relativgeschwindigkeit : km/ sec, v/c =4/5 Laengenkontraktion :Faktor 1 v/c 2 L Stab =3m L Garage =4m Stab passt hinein! Antimaterie L Stab =5m L Garage =2.4m Stab passt nicht hinein! + + +
54 Fundamentale Naturgesetze Relativitaet + Quantenmechanik erzwingt: 1) Antimaterie 2) Elementarteilchen 3) punktfoermige Wechselwirkungen Fragen: 1) Stimmt das? 2) Welche Elementarteilchen gibt es?
55 Fundamentale Naturgesetze Relativitaet + Quantenmechanik erzwingt: 1) Antimaterie 2) Elementarteilchen 3) punktfoermige Wechselwirkungen Antworten: 1) Entspricht der Beobachtung! 2) Im Folgenden!
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