Klassische Experimentalphysik I WS 16/17

Transkript

1 Klassische Experimentalphysik I WS 16/17 Veranstaltung Dozent: PD Dr. Andreas B. Meyer (KIT und DESY) Übungsleiter: Dr. Roger Wolf (KIT) 18. Oktober 2016

2 Inhalt der Vorlesung 1 Einleitung 1.1 Physikalische Größen und Dimensionen 1.2 Messungen und Auswertung 2 Klassische Mechanik 2.1 Mechanik von Massenpunkten 2.2 Grundgleichungen der Mechanik 2.3 Arbeit und Energie 2.4 Systeme von Massenpunkten 2.5 Rotation massiver Objekte 3 Gravitation 3.1 Gravitationsgesetz 3.2 Gravitationspotential 3.3 Planetenbahnen 3.4 Gravitation in Massenverteilungen Informationen: 2

3 Inhalt der Vorlesung 4 Relativistische Mechanik 4.1 Bewegte Bezugssysteme und Transformationen 4.2 Relativistische Kinematik 4.3 Relativistische Dynamik 5 Mechanik fester Körper und Flüssigkeiten 5.1 Physik fester Körper 5.2 Mechanik von Flüssigkeiten 5.3 Thermische Eigenschaften 6 Schwingungen und Wellen 6.1 Schwingungen 6.2 Wellen 6.3 Chaotische Systeme 6.4 Licht und Materie Informationen: 3

4 Empfohlene Literatur 4

5 Organisation

6 Termine Vorlesung: 18. Oktober Februar 2017 Dienstags 9:45-11:15 Donnerstags 9:45-11:15 Insgesamt 29 Vorlesungen, der ist ein Feiertag Gezeigte Folien werden nach der Vorlesung auf die Webseite geladen Übungen: 26. Oktober Februar 2017 Mittwoch 8:00-9:30 (5 Gruppen) Mittwoch 9:45-11:15 (8 Gruppen) Mittwoch 11:30-13:00 (7 Gruppen) Erster Termin: Klausur: :30-17:00 Gerthsen Hörsaal und Hörsaal Neue Chemie Informationen: 6

7 Übungen Anmeldung: Übungsblätter Ausgabe: Dienstags (Webseite) Abgabe: Montags 12:00h in der Physik I Box im Hochhaus, Erdgeschoss Arbeit und Abgabe in Gruppen von 2-3 Personen Ausgabe erstes Übungsblatt: 25. Oktober Leistungen Teilnahme an den Übungen ist verpflichtend Voraussetzung für Klausurteilnahme: Abgabe 12 nicht-leere Übungsblätter 60% der Punkte auf den Blättern Viermal Vorrechnen in der Übungsgruppe Informationen: 7

8 Überblick Physikstudium

9 Was ist Physik? Was ist Wissenschaft? Systematische Unternehmung zur Entwicklung und Organisation von Wissen in der Form objektiver, nachprüfbarer Erklärungen und Vorhersagen über die Welt. Wissenschaft entwickelt Konzepte in denen wiederkehrende Regelmäßigkeiten vereinheitlicht werden Methodologie, Abstraktion. 9

10 Was ist Physik? Was ist Wissenschaft? Systematische Unternehmung zur Entwicklung und Organisation von Wissen in der Form objektiver, nachprüfbarer Erklärungen und Vorhersagen über die Welt. Wissenschaft entwickelt Konzepte in denen wiederkehrende Regelmäßigkeiten vereinheitlicht werden Methodologie, Abstraktion, (Natur-) gesetze Was ist Physik? Untersuchung der grundlegenden Struktur von Materie Zusammenspiel von Materie und Wechselwirkungen Physik verwendet i.a. quantitative Methoden: Messungen Rechnungen Näherungsverfahren Mathematik und Numerik 10

11 Theorie und Experiment 11

12 Theorie und Modell Physikalische Modelle und Theorien sollten sein: zeit- und ortsunabhängig experimentell nachprüfbar (falsifizierbar) Vorhersagekraft haben (zumindest innerhalb gewisser Grenzen) Physikalische Theorie muss sich an Experimenten bewähren. Theorie kann in sich konsistent sein, und trotzdem nicht zutreffend Ergebnisse mathematischer Methoden werden durch Erfahrung (Experimente) getestet. Gedankenexperimente: Erwägungen zur Kohärenz von Theorie Vorbereitung von tatsächlichen Experimenten 12

13 Experiment und Messung Experimente präparieren Beobachtungen heraus Objektiv (Verwendung wohl-kalibrierter Messinstrumente) Reproduzierbar (Wiederholung liefert gleiches Resultat) Beispiel für einen,,subjektiven Effekt: Benham-Scheibe: Farbempfindliche Rezeptoren werden durch verschiedene Hell-Dunkel-Frequenzen unterschiedlich stark angeregt individuell verschieden Online Umfrage: In welcher Farbe erscheint der äußere Ring? Benham-Scheibe: (Charles E. Benham, 1894) 13

14 Ergebnis 14

15 Messung und Theorie Experimente präparieren Beobachtungen heraus Objektiv (Verwendung wohl-kalibrierter Messinstrumente) Reproduzierbar (Wiederholung liefert gleiches Resultat) Vergleich Theorie und Experiment: Experimente sind Hypothesentests Experimente theoretische Vorhersagen widerlegen. Experimente können mit theoretischen Vorhersagen in Übereinstimmung sein. Experimenteller Beweis ist streng genommen niemals möglich (Es könnte immer noch ein Gegenbeispiel auftauchen). Suche nach neuen Phänomenen Kann zu Anpassung des Geltungsbereichs führen Und/oder zu Paradigmenwechsel Beispiele: Aristoteles Galilei, klassische Physik spezielle Relativitätstheorie oder Quantenmechanik I.a. wird Theorie (oder Modell) benötigt, um Experimente planen, durchführen und auswerten zu können. 15

16 Modell, Mathematik, Machine-Learning Theorie-Entwicklung Noch unbewiesene theoretische Hypothesen werden häufig durch,,eleganz-argumente gestuetzt. Beispiel Naturalness :,,Robustere Parameter werden für plausibler gehalten. Gegenargument,,anthropisches Prinzip Verschwindend wenige physikalische Probleme besitzen exakte Lösungen. Fokus auf Fragestellungen, die sowohl theoretisch als auch experimentell zugänglich sind (Kooperation zwischen Theorie und Experiment) Näherungslösungen und numerische Methoden. Computer-Einsatz Seit Mitte des 20. Jahrhundert wesentlicher Bestandteil physikalischer Forschung Berechnung theoretischer Vorhersagen Vorbereitung, Durchführung und Auswertung von Experimenten Muster-Erkennung und Machine-learning 16

17 Bereiche der Physik Grundvorlesungen Semester 5. Semester 4. Semester 6. Semester Semester: Spezialvorlesungen 17

18 Dimensionen: Größtes und Kleinstes m, Teleskop 10 7 m, Fernrohr 10 0 m, bloßes Auge 10 4 m, Mikroskop 10 8 m, Elektronen-Mikroskop m, Teilchenbeschleuniger Spezialvorlesungen 7./8. Semester: z.b. Kosmologie, Astro-Teilchenphysik, Teilchenphysik, Atomphysik, Festkörperphysik, Nano-Physik und Nano-Technologie, Biophysik 18

19 Struktur der Materie 1908: Atome haben Kerne Streuexperimente: Messung von Winkelund Energieverteilungen 1956: Kerne haben Ausdehnung 1962: Kerne haben Struktur 1970er: Quarks und Gluonen Gegenwärtiger Stand: Quarkradius ist kleiner als m Tevatron, Quarks Seit den 90ern: Haben Quarks Struktur? 19

20 Struktur der Materie Geiger-Marsden-Rutherford 1908 Messung der Streuung von α-teilchen an Goldfolie Verteilung gibt Rückschluss auf Ausdehnung der Atomkerne 1. Semester Berechnung von Stoss-Prozessen 20

21 Struktur der Materie Atomphysik Kernphysik Teilchenphysik e - e - e - e - e - p e - e - u Atom Kern Proton höhere Energie kleinere Wellenlänge Auflösung kleinerer Strukturen E = hc heute: Quark-Radius < m 21

22 Dimensionen PROTONEN SIND x KLEINER ALS ATOME (1911) Atomkern : Atomhülle = Knopf : Innenstadt Karlsruhe QUARKS, LEPTONEN SIND MIND x KLEINER ALS PROTONEN (1998) Quark : Atomhülle < Knopf : Erde (Quark : Stecknadelkopf < Stecknadelkopf : Sonnensystem, usw) 22

23 Beispiel,,Energy-Frontier : Teilchenphysik am LHC Was sind die fundamentalen Bausteine und Kräfte? Wie ist das Universum entstanden? Schaffe im Labor Zustände wie in den ersten Anfängen des Universums

24 Zeitleiste des Universums Radius 10-3 m m m Das wollen wir ergründen Large Hadron Collider Heute schon verstanden 24

25 Teilchenbeschleuniger Kathodenstrahl-Röhre z.b. ehemals in Fernsehe-Geräten Beschleunigungs-Spannung: U = 1 Volt Elekton-Energie = 1 ev Fernseher ~ 10 kv Supraleitende Hohlraumresonatoren (ILC): Gradient: 40 MV Teilchenbeschleuniger (LHC): 6.5 TeV / proton 6.5 * 1012 ev (6.5 Billionen ev) 25

26 Speicherring Fokussierung Quadupol-Magnete Umlenkung Dipol-Magnete Beschleunigung Hohlraumresonatoren 26

27 Teilchendetektoren Bei der Kollision entstehen neue Teilchen Nachweis und Vermessung durch konzentrische Anordnungen von Sensoren Wir unterscheiden: Photonen, Elektronen, Myonen, Quarks Neutrinos 27

28 Die Fundamentalen Teilchen IN DEN ERSTEN MILLIARDSTEL SEKUNDEN DES UNIVERSUMS GAB ES OBJEKTE, DIE HEUTE LÄNGST ZERFALLEN SIND. DIESE KÖNNEN AN TEILCHEN- BESCHLEUNIGERN IN KLEINEN "URKNALLEN" ERZEUGT WERDEN, z.b.: Top-Quarks (Entdeckung 1995): t Elementare Teilchen im Standard-Modell UMWANDLUNG VON ENERGIE IN MATERIE t E = mc 2 Dabei entstehen paarweise Materie- und Antimaterieteilchen 28

29 Die Fundamentalen Kräfte Gravitation Newton ( ): Gravitationsgesetz Körper können Kräfte aufeinander ausüben Elektrizität / Magnetismus Maxwell ( ): Vereinigung Elektrostatik und Magnetismus Heinrich Hertz ( ): Entdeckung der elektromagnetischen Wellen (in Karlsruhe) Schwache Wechselwirkung Glashow, Weinberg, Salam (1967): Quantenflavordynamik Vereinigung elektromagnetische und schwache Wechselwirkung Mikrokosmos: Austausch von Bosonen (gluon, γ, W, Z) Starke Wechselwirkung Politzer, Gross, Wilcek (1970): Quantenchromodynamik sog. Feynman-Regeln zur quantitativen Berechnung 29

30 Zwischenstand Rasante Entwicklung über die letzten 100 Jahre Alle Standard-Modell Teilchen nachgewiesen Jüngste Entdeckung: Higgs-Boson Was kommt als nächstes? we are here Elementare Teilchen im Standard-Modell? Neue Teilchen?? Substruktur? 30

31 Offene Frage: Was ist Dunkle Materie? Sonnensystem Galaxie NGC6503 v ~ 1/ r Im Sonnensystem: Gültigkeit von Keplers Gesetzen! Galaxie: Umlaufgeschwindigkeiten höher als durch sichtbare Materie erklärbar In Galaxien und Galaxienhaufen: Neue Form nicht-sichtbarer Masse! Weiteres Indiz: Gravitational Lensing Dunkle Materie: bisher nur über astronomische Gravitationswechselwirkung sichtbar 31

32 32?

33 Offene Frage: Was ist Dunkle Energie? seit den 1990ern: Das Universum dehnt sich immer Beobachtung schneller (beschleunigt) aus! (Nobelpreis 2011: S.Perlmutter, B.P. Schmidt, A.G. Riess) Dunkle Materie allein zu wenig, um Größe der Beschleunigung zu erklären Bekannte Materie: Nur 4,9% des Universums!!! Hubble Space Telescope in verschiedenen Ausbaustufen Andreas B. Meyer Einführungsvorlesung Exp. Physik I, 18. Oktober

34 Der Large Hadron Collider am CERN (Genf) CMS Geplant seit 1984 Im Betrieb seit 2009 Umfang: 27 km pp Schwerpunktsenergie: bis zu 14 TeV Supraleitende Magnete Andreas B. Meyer LHCB Einführungsvorlesung ATLAS Exp. Physik I, 18. Oktober

35 Das CERN: Herkunftsländer der CERN Nutzer Insgesamt sind etwa Personen aktiv am CERN 35

36 Die LHC-Anlage Proton-Proton, p-hi und HI-HI Kollisionen Schwerpunktenergie von bis zu 14 TeV Kollisionsrate ~ 109 / s Strahlenergie entspricht der eines ICE (360 MJ) 36

37 Blick in den Tunnel Abkühlung durch 120 Tonnen suprafluides Helium 37

38 Bau des Beschleunigers ( ) Insgesamt km Transportweg 38

39 CMS Experiment Auf dem Papier CMS-Montagehalle Kollisionshalle LHC-Tunnel CMS-Halle 39

40 Bau des CMS Experiments im Bau Jan Jan

41 Unterirdische Kavernen

42 CMS Magnet Größter supraleitender Magnet der Welt: 13 m lang, 6 m Durchmesser, 4 T ( mal Erdmagnetfeld) 42

43 Montage Absenken einer Endkappe Jan t Kran 43

44 Der CMS Detektor Bau der Einzelteile an teilnehmenden Instituten, Zusammenbau am CERN Siliziumspurdetektor CMS-Detektor: 25m lang, 16m Höhe Tonnen Nettokosten 550 MSFr Strahlmonitor CMS-Kollaboration: 2310 Wissenschaftler 38 Staaten 175 Institute Computing Software / Datenanalyse In Deutschland: RWTH Aachen, DESY, U. Hamburg, KIT IEKP Karlsruhe: 70 44

45 Ein kleiner Teil der CMS Mitglieder 45

46 Beiträge des KIT 46

47 Einbau des Spurdetektors EINBAU DES SPURDETEKTORS Dez. Dez Andreas B. Meyer Thomas Müller, Institut für Experimentelle Kernphysik, KIT Einführungsvorlesung Karlsruhe, Exp. Physik I, 18. Oktober

48 Andreas B. Meyer Einführungsvorlesung Exp. Physik I, 18. Oktober

49 Der CMS Detektor 49

50 Der ATLAS Detektor 50

51 Datenauslese 51

52 Datenverarbeitung 40 MHz ; 10 9 Ereignisse/s ; 10 Mio Kanäle => 1 PetaByte/s Online-Datenreduktion Datenspeicherung 100 Hz ~1PetaByte/Jahr (1,4 Millionen CD) KIT: GridKa (Tier 1) LÖSUNG: DAS GRID CampusGrid (Tier 2-3) 52

53 Werkzeuge der Datenanalyse Neuronale Netze moderne statistische Methoden: Entwicklung von NeuroBayes NeuroBayes Teacher Lernen von komplizierten Zusammenhängern aus bestehenden Datenbanken NeuroBayes Expert Prognosen für unbekannte Daten erfolgreiche Anwendungen: - exp. Teilchenphysik (multivariante Analysen (b-tagging bei CDF) - Risikostudien für Finanzinstitute, Versicherungen, 53

54 Das Experiment p p p Ereignisse werden mit einer Rate von 40 MHz aufgezeichnet Kollisionen / Ereignis Die meisten Kollisionen sind,,streifschüsse Schnelle Filter (,,Trigger ) reduzieren die Rate auf ~100 Hz Analyse von Ereignissen 54

55 Die Vorhersage µ + 13 Z Z µ - µ - µ + -1 Berechnung der Häufigkeit von Ereignissen dieser Art Simulation von,,künstlichen Ereignissen für den direkten Vergleich mit den echten Daten 55

56 Ein Higgs-Ereignis Kandidat A 56

57 Verteilung von m4l für ausgewählte Ereignisse Entdeckung des Higgs-Bosons in zwei unabhängigen Experimenten, ATLAS und CMS! Events / 3 GeV CMS CMS -1 s = 7 TeV, L = 5.1 fb ; 35 Data -1 s = 8 TeV, L = 19.7 fb Z+X * Zγ, ZZ m H = 126 GeV Events / 2.5 GeV ATLAS H ZZ* 4l -1 s = 7 TeV: Ldt = 4.5 fb -1 s = 8 TeV: Ldt = 20.3 fb Data ATLAS Signal (m = GeV µ = 1.66) H Background ZZ* Background Z+jets, tt Systematic uncertainty (GeV) m 4l m 4l [GeV] Punkte: Daten Linien: Theoretische Erwartung (Simulation) 57

58 Vergleich Experiment und Theorie The Golden Mode: H ZZ 4l 17 Combination oftelegram Higgs Results Analysis Messung: Anzahl der Ereignisse 48 4 isolated high pt leptons consistent with Z decays from same vertex fit mass peak with resolution: 2-4 GeV little background, nonresonant ZZ production also Zbb and top (2l2nu2b) sults: 4 Leptons = andvorhersage: compare with expectation Background removal leptons from b-decays are non-isolated and displaced der Ereignisse GeVAnzahl in both experiments CMSmodifications & ATLASsince ICHEP Analysis with only minor b Z µ+ µ- Z µ+ µ- Overall significance and signal strength Daten in Übereinstimmung mit der Erwartung aber noch Raum für Überraschungen! observed: 6.9; expected: 7.8 [ signal strength: 0.88 ± 0.21 ] 58 Andreas B. Meyer Einführungsvorlesung Exp. Physik I, 18. Oktober 2016

59 Zusammenfassung / Ausblick Ziel physikalischer Forschung: Erkenntnis Anschub und Erfindungen Ausbildung Physikalische (Grundlagen-)Forschung: Theorie und Experiment ergänzen sich Weltweiter, grenzüberschreitender Austausch von Wissen und Erkenntnis Überwindung politischer und Sprachgrenzen Teilchenphysik: LHC: Jüngster Triumph (2012): Entdeckung des Higgs-Bosons (vorhergesagt 1964 (!), Nobelpreis 2013). Betrieb bis ~2035: Bisher nur 1% der vorgesehenen Daten gesammelt. Im kommenden 1.Semester: Experimentelle Physik I: Experimente und Konzepte zur klassischen und relativistischen Mechanik Grundlage für alles weitere, im Physik-Studium und in der Forschung 59