Die Suche nach dem Unteilbaren Leptonen & Quarks - unteilbar? Max Camenzind Akademie Ältere Heidelberg 2015

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1 Die Suche nach dem Unteilbaren Leptonen & Quarks - unteilbar? Max Camenzind Akademie Ältere Heidelberg 2015

2 1905: Es gibt keinen Äther Einstein s Spezielle Relativität In allen Inertialsystemen hat die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum den gleichen Wert c = ,458 km/s. Ersetzt heute das Urmeter! Bewegte Uhren gehen nach. Zwilling kommt von a Cen jünger nach Hause. Bewegte Körper schrumpfen. Lebensdauer eines Teilchens hängt von v ab! Trägheit hängt von Geschwindigkeit ab!!!! Das Universum ist vier-dimensional!!!! E² = (mc²)² + p²c² addiert sich quadratisch.

3 Was sind Teilchen? / Video DESY

4 ? Der Aufbau der Materie > < 0,01 m Kristall 1/ /10 1/ /10 1/ m = nm Molekül Stecknadelkopf: 10-3 m = 1 mm m Atom m Atomkern m Proton <10-19 m Quark, Elektron Elektron & Quarks sind unteilbar: < m = 1 Attometer punktförmig?

5 Inhalt Vortrag III Teilchenbeschleuniger bis heute & morgen. Teilchenzoo und das Standard-Modell (SM): Gell-Mann ordnet den Teilchenzoo neu 1964: Das Quark-Modell. Elementarteilchen im Standard-Modell. Ladungen im SM: schwacher Isospin, Farbe und Hyperladung. Standard-Modell ist unvollständig. Standard-Modell hat keinen Kandidaten für Dunkle Materie.

6 Situation um 1932 Im Jahr 1932 waren nur das Proton, das Neutron, das Elektron und das Photon bekannt. Man glaubte, damit die elementaren Bausteine der Materie gefunden zu haben. Doch dann fand man immer neue Teilchen, meist erzeugt durch die kosmischen Höhenstrahlung: Neutrinos, Myonen, Pionen und viele andere. Bis auf die Neutrinos sind alle diese Teilchen sehr kurzlebig und zerfallen in leichtere Teilchen. Die einzigen stabilen Teilchen sind das Proton, das Elektron und die drei nahezu masselosen Neutrinos, die man Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino nennt. Dazu kommen noch die jeweiligen Antiteilchen sowie das Photon. Das freie Neutron ist nicht stabil (es ist nur in den Atomkernen stabil, die eine genügend große Bindungsenergie aufweisen).

7 und es wurden immer mehr!

8 Ordnung in den Teilchenzoo 1970 Camenzind 2015

9 Proton Was ist da drin?? 3 Fermi Grafik: DESY

10 Was ist da drin? 2 Methoden: Durchleuchten oder zerstören

11 Elektronen durchleuchten das Proton (wie Rutherford) 50 GeV SLAC SLAC Calif. HERA DESY Nach de Broglie l = h/p = 0,1 fm (10 GeV/E) 0,1 am (10 TeV/E) 3 fm

12 Ladungsverteilung im Proton + Volker Oberacker, Vanderbilt Univ. 2012

13 Ladungsverteilung im Neutron + - Mesonenwolke Volker Oberacker, Vanderbilt Univ. 2012

14 Proton-Zertrümmerung LHC Kin. Energie Energie Teilchen E=13 TeV 6,5 TeV 6,5 TeV

15 In Betrieb: 1962 Elektronen: 50 GeV Abgeschaltet: Nobelpreise

16 Beschleunigung in stehenden Wellen Supraleitender Hohlraumresonator aus Niob zur Beschleunigung von Elektronen (TESLA-Projekt DESY). Der neunzellige Resonator von 1,25 m Länge hat die Resonanzfrequenz 1,3 GHz; E = 25 MV/m

17 Vorteil: Linearbeschleuniger Keine Ablenkung keine Synchrotronstrahlung aber viel RF! e + e - 10 km Bem.: für ILC, tot E 1. Für E cm = 500 GeV Beschleuniger: Gradient G = 250 GV / 10 km = 25 MV/m zur Idee ILC (= Internat. Linearbeschl.) 2. Strahlstärke: L cm -2 s -1 17

18 Elektronenstrahlen in der Medizin

19 Ohne Einstein geht gar nichts! Träge Masse nimmt mit Geschw. zu! E = g m 0 c² SLAC: g = /0,5 LHC: g = 7000 GeV/1 ILC: g = 1 Mio./0,5

20 Wie werden Teilchen um die Kurve gelenkt? Geht nur mit magnetischen Feldern B! Elektrische Kraft Magnetische Kraft

21 Ablenkung im Magnetfeld B je nach Ladung Lorentzkraft

22 Elektronen im Speicherring E >> mc² m e c² = 0,511 MeV E = 100 GeV

23 LHC Dipolmagnet supraleitend

24 HERA: Elektron-Mikroskop für p 6,3 km langer Tunnel Elektronen + Protonen 27,5 GeV GeV in Betrieb

25 Magnete HERA / DESY

26 TEVATRON FermiLab < 2011 Protonen + Anti-Protonen auf 1 TeV beschleunigt Entdeckung Top-Quark in Betrieb

27 Speicherring: Protonen: TeV 2012: Entdeckung Higgs-Teilchen

28 LHC Dipolmagnet

29 LHC Quadrupolmagnet

30 LHC p-strahlen 1232 Dipolmagnete

31 LHC p-strahlen He-Kühlung -271 C

32 LHC Detektoren / 27 km Speicherring

33 Protonen im LHC aus der H-Flasche

34 Protonenschleuder LHC / Video CERN

35 GeV: Internationaler Linearbeschleuniger ILC > 2026 Dazu werden zunächst alle 200 ms insgesamt 1312 Gruppen von Elektronen ( Bunches ) aus einer Photokathode freigesetzt. Diese werden auf 5 GeV beschleunigt und gelangen in einen Speicherring ( Damping Ring ), in dem sie innerhalb von 200 ms komprimiert werden.

36 ILC 1,5 GHz Photo: Fermilab Visual Media Services

37 Compact Linear Collider CLIC near CERN > 2030 Central MDI & Interaction 40 Region

38 CLIC Detektor 42

39 Europas & Chinas Träume

40 Protonen und Neutronen Was ist der Unterschied? Isospin Proton und Neutron verhalten sich identisch unter starker Wechselwirkung (Nukleon 1932 Werner Heisenberg; Name 1937 Eugene Wigner). Proton m p = 938,272 MeV/c² Neutron m n = 939,565 MeV/c² Neue Quantenzahl: Isospin Proton und Neutron? Nucleon + innerer Freiheitsgrad um die beiden zu unterscheiden Isospin

41 Klassifikation der Zustände mit Isospin Isospin ist Quantenzahl wie Spin oder Drehimpuls I z = +1/2 I z = -1/2 I z = +1 I z = 0 I z = -1 I z = +3/2 I z = +1/2 I z = -1/2 I z = -3/2 Proton Neutron m p ~ 939 MeV/c² π + π 0 π - m π ~ 140 MeV/c² Δ ++ Δ + Δ 0 Δ - m Δ ~ 1232 MeV/c²

42 Baryonen und Mesonen gruppieren sich in ähnlichen Massen Massenmultipletts Gell-Mann macht dafür den starken Isospin verantwortlich: Hadronen mit gleicher Masse bilden ein Isospin- Multiplett: 0, ½, 1 Resag

43 Flavour Quantenzahlen Starke Isospin I Seltsamkeit S Hyperladung Y Y := B + S Y=B+S+C+B +T Gell-Mann- Nishijima 1960: Q = Y/2 + I 3

44 In den 60er Jahren konnten alle damals bekannten Teilchen durch Isospin-Multipletts I = 0, ½, 1, 3/2 und die Hyperladung Y = B + S klassifiziert werden, S = Strangeness. Baryonen: B = +1; Anti-Baryonen: B = -1; Mesonen: B = 0. Teilchen eines Isospin-Multipletts haben fast identische Massen, siehe (p,n) oder p-mesonen. Elektrische Ladung Q = I 3 + Y/2.

45 Murray Gell-Mann - * 1929 NY erfindet 1961 den 8-fachen Weg

46 Geboren 15. September 1929 in lower Manhattan; Galt als Wunderkind; Trat in Yale ein im Alter von 15 als Mitglied des Jonathan Edwards College wurde einer der bekanntesten Amerikanischen Physiker und Linguisten; Erhielt 1969 den Nobel- Preis in Physik; Seit 1956 Robert Andrews Milikan Professur für Theoretische Physik und 1993 Emeritus am CalTech.

47 8-facher Weg Baryonen-Oktett 2 Quantenzahlen: Isospin T & Hyperladung Y Klassifikation der Teilchen nach Gell-Mann Baryon-Oktett Dublett Hyperladung Y = B + S Q = Y/2 + T 3 Triplett Isospin Dublett

48 Die acht Speichen des Dharmachakra (Rad des Gesetzes) symbolisieren den Achtfachen Pfad (Jokhang-Tempel) inspirierte Gell-Mann.

49 Jokhang Tempelanlage in Lhasa

50 8-facher Weg Spin-0 Mesonen Mesonen Oktett Y T 3

51 Achtecke können durch Dreiecke aufgebaut werden 3 (1,0) Triplett von Teilchen? SU(3): Rotation im 3-dim. Raum 3 (0,1)

52 Murray Gell-Mann & George Zweig 1963 Quark-Hypothese Aufgrund dieser und weiterer Fakten stellten Gell- Mann, Zweig und andere im Jahre 1964 die Hypothese auf, dass alle Hadronen aus nur wenigen Bausteinen aufgebaut seien, den sogenannten Quarks. Das Proton besteht dann aus zwei sogenannten up-quarks (Ladung +2/3) und einem down-quark (Ladung -1/3). Bis auf den heutigen Tag ist es nicht gelungen, auch nur ein einziges Quark als freies Teilchen in einem Detektor nachzuweisen, und man glaubt heute, dass dies nicht möglich ist (sog. Confinement). Dennoch lassen sich Quarks im Inneren der Hadronen konkret nachweisen, beispielsweise durch Beschuss mit hochenergetischen Elektronen (wie im Rutherford-Experiment SLAC, HERA).

53 Quark Triplett Baryonen bestehen aus drei Quarks d Y 1 3 Gell-Mann 1964: Q = T 3 + Y/2 u T s Asse Quarks

54 Murray Gell-Mann Quarks Quark-Modell war sehr umstritten

55 Baryonen-Oktett im Quark-Modell

56 Spin-0 Mesonen-Oktett

57 Quark mit Bottomness B

58 Mesonen mit Bottomness

59 1995 Top 6. Quark mit Topness T Das Top-Quark hat größte Masse von allen Quarks: m Top = 173 GeV/c² Entdeckt 1995 am TEVATRON, nachgemessen 2012 LHC CERN. Zerfällt in s.

60 1973 Quarks tauschen Gluonen aus erzeugt die starke Wechselwirkung Gluonen tauschen dauernd Farbe aus Quantenchromodynamik QCD

61 Proton von Teilchenphysikern gesehen Seequarks Grafik: DESY

62 Kernkraft ist eine Restkraft - Proton und Neutron binden sich über starke WW

63 Starke Wechselwirkung Nukleonen Elektrische Kräfte zwischen Protonen wirken abstoßend Jedoch starke Kraft zwischen Quarks wirkt anziehend und halten den Kern zusammen

64 Struktur des QCD-Vakuums QCD-Simulation: Derek Leinweber

65 Proton = chromoelektrisches Energiepaket m p = E/c² QCD-Simulation: Derek Leinweber

66 Pi-Meson = chromoelektrische Flussröhre Energiedichte ~ 100 MeV/fm³ QCD-Simulation: Derek Leinweber

67 3 Ladungs-Typen für Quarks und Leptonen Isospin-Dubletten und + Quarks als Farb-Tripletts Farbe Schwacher Isospin: +1/2-1/2 +1/2-1/2

68 Das Elektron hat 2 Ladungen: Elektrische Ladung & schwacher Isospin Elektr m Schwach m

69 Standardmodell der Mikrowelt SM in Dubletten CERN

70 Teilchen sind Feldanregungen - Felder Y(t,x) sind fundamental Felder tragen Energie Felder global, in jedem Punkt Freiheitsgrad Teilchen sind nur Feldanregungen Vorsicht mit Bildern!

71 Was ist eine Symmetrie? Symmetrien Transformationsgruppen Dreieck Drehung Dreieck R.P. Feynman: Ein Objekt heißt symmetrisch, wenn man mit ihm etwas anstellen kann, ohne es am Ende, wenn man fertig ist mit der Prozedur, geändert zu haben.

72 Was ist Invarianz? eine Eigenschaft (hier Länge des Stabs) eines Objektes, die bei verschiedener Betrachtung (Rotation) unverändert bleibt.

73 Was ist Ladung? Innere Symmetrie des Raumes Zu jeder Symmetrie gehört eine erhaltene Ladung (Noether-Theorem): Phasensymmetrie des Dirac-Spinors: elektrische Ladung (bzw. Hyperladung) SU(2) Symmetrie: schwacher Isospin SU(3) Farbsymmetrie: starke Ladung insgesamt 6D komplexer Raum Gibt es weitere innere Symmetrien?

74 Wechselwirkung = innere Freiheitsgrade = sog. lokale Eich-Symmetrie Konstruktion: Lagrangefunktion ist invariant unter lokalen Eichtransformationen, die eine Gruppe bilden: Elektromagnetismus : U(1) Phasentrafo Schwache WW : SU(2) schwacher Isospin Starke WW : SU(3) Farbtrafo GUT-WW : SU(8) Grand Unification Gravitation : Lorentz-Gruppe SO(1,3)

75 Übergang innerhalb Generation Zeit t Schwache Isospin-Ladung erzeugt schwaches W-Boson Schwache Wechselwirkung zwischen Leptonen & Quarks

76 Beta-Zerfall Quark-Mutation Zeit t Schwache Isospin-Ladung Schwache Wechselwirkung zwischen Quarks

77 Top-Quark Produktion Tevatron

78 Warum haben W- & Z-Boson Masse? Peter Higgs

79 Higgs-Feld v ist wie ein Maisfeld erzeugt Widerstand (Masse = Trägheit) gegen Bewegung v = <0 F 0> Camenzind

80 Massen W- und Z-Bosonen / CERN SPS(pp)-Beschleuniger 1984 Rubbia Experimentell heute:

81 Higgs-Produktion am LHC / s Higgs-Teilchen = Higgs-Feld-Quant Proton t, b Proton

82 Higgs-Produktion am LHC 4 Leptonen

83 Wenn genügend Energie vorhanden (> 2 TeV) Anregung im Higgs-Feld (H-Boson) zerfällt sofort in andere Teilchen (4µ) µ + µ + µ - µ -

84 Dieses Teilchen habe ich nicht vorgesehen

85 Warum war das Higgs so aufregend? CERN 4. Juli 2012: We observe in our data clear signs of a new particle, at the level of 5 sigma, in the mass region around 126 GeV.

86 H ZZ 4 ATLAS CMS Nach 50 Jahren Theorie: Es gibt ein Higgs-Boson!

87 Higgs-Masse am LHC CERN 2015

88 Nach 50 Jahren Nobelpreis in Physik 2013 Francois Englert (1932) & Peter Higgs (1929)

89 Zusammenfassung Leptonen und Quarks sind die Materieteilchen, Spin-1/2 (Fermion), strukturlos also unteilbar? Wechselwirkung wird durch Ladungen erzeugt: elektrische Ladung, schwacher Isospin & Farbe. Es gibt nur drei Generationen. Warum gerade 3? Wechselwirkung wird durch Eich-Bosonen vermittelt (sog. Kraft-Teilchen): 1 Photon, 3 W- Bosonen und 8 Gluonen treten virtuell auf. Higgs-Feld erzeugt Massen der W-Bosonen. Standardmodell SM enthält keinen Kandidaten für Dunkle Materie. Beschleuniger geplant bis zu Energien von 100 TeV: ILC, CLIC, SM nicht vollständig!

90 Ungelöste Fragen im Standardmodell SM 1. Sind Leptonen & Quarks unteilbar (<10-19 m)? 2. Was bedeuten Hyperladung, Isospin & Farbe? 3. Dunkle Materie hat keinen Platz im SM! 4. Ist die Natur supersymmetrisch? 5. Was ist Dunkle Energie? 6. Warum überwiegt Materie die Anti-Materie? 7. Warum haben Neutrinos eine kleine Masse? 8. Warum gibt es gerade drei Generationen? 9. Warum ist Gravitation so schwach?

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