Das Standardmodell der Elementarteilchen (und darüber hinaus) Dr. Robert Schöfbeck. TU Wien - Lehrerseminar

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1 (und darüber hinaus) Dr. Robert Schöfbeck Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften TU Wien - Lehrerseminar

2 sichtbares Licht und Mikroskopie Sichtbares Licht ist gut verwendbar solange die Abmessungen klein gegen die Wellenlängen von einigen hundert nm (10 7 m) sind. Für Licht gilt E = hν = hc λ also braucht man hohe Energien für kurze Wellenlängen m 10 6 m 10 7 m

3 Zellen und DNA Elementarteilchenphysik 10 5 m = 10µm Zelle 10 9 m = 1nm Chromosom und DNA-Strang Der menschliche Körper besteht in etwa aus Zellen. Die Strukturen der großen Makromoleküle kann man mit dem Kernspinresoanztomographen untersuchen.

4 10 10 m = 1Å Atome Bei Längen um m beginnt das Reich der Atome und der Das Rastertunnelmikroskop Beim Rastertunnelmikroskop bewegt sich eine ein-atomige Spitze knapp über der Oberfläche und misst den elektrischen Widerstand. Abbild der Oberfläche 10 9 m m Quantenmechanik in welchem der Hausverstand der klassichen Physik versagt. Trotzdem kennen wir die Naturgesetze auf dieser Größenordnung, wenn auch ihre Deutung oft schwierig ist. Stichwort: Nanotechnologie m

5 10 10 m = 1Å Atome Bei Längen um m beginnt das Reich der Atome und der Das Rastertunnelmikroskop Beim Rastertunnelmikroskop bewegt sich eine ein-atomige Spitze knapp über der Oberfläche und misst den elektrischen Widerstand. Abbild der Oberfläche 10 9 m m Quantenmechanik in welchem der Hausverstand der klassichen Physik versagt. Trotzdem kennen wir die Naturgesetze auf dieser Größenordnung, wenn auch ihre Deutung oft schwierig ist. Stichwort: Nanotechnologie m

6 10 15 m = 1fm: Atomkern Atomkerne sind in etwa um 1 : kleiner als die Atome. Sie bilden den positiv geladenen Kern um den die negativ geladenen Elektronen kreisen m Die Physik der Atomkerne ist schon sehr weit erforscht. Der einfachste Atomkern (Wasserstoff) besteht aus einem einzelnen Proton m m

7 10 15 m = 1fm: Atomkern Atomkerne sind in etwa um 1 : kleiner als die Atome. Sie bilden den positiv geladenen Kern um den die negativ geladenen Elektronen kreisen m Die Physik der Atomkerne ist schon sehr weit erforscht. Der einfachste Atomkern (Wasserstoff) besteht aus einem einzelnen Proton m m

8 Die Welt der Elementarteilchen Kann man ein Proton röntgen? Wir wissen bereits kleine Abstände kurze Wellenlänge und kurze Wellenlänge hohe Energie. Andererseits aber E = mc 2 wobei m die Masse eines Teilchens ist. Die Energie des Lichts zum Röntgen eines Protons ruft Kernprozesse hervor! Beobachtung Wechselwirkung m m m

9 Die Welt der Elementarteilchen Kann man ein Proton röntgen? Wir wissen bereits kleine Abstände kurze Wellenlänge und kurze Wellenlänge hohe Energie. Andererseits aber E = mc 2 wobei m die Masse eines Teilchens ist. Die Energie des Lichts zum Röntgen eines Protons ruft Kernprozesse hervor! Beobachtung Wechselwirkung m m m

10 Die Welt der Elementarteilchen Kann man ein Proton röntgen? Wir wissen bereits kleine Abstände kurze Wellenlänge und kurze Wellenlänge hohe Energie. Andererseits aber E = mc 2 wobei m die Masse eines Teilchens ist. Die Energie des Lichts zum Röntgen eines Protons ruft Kernprozesse hervor! Beobachtung Wechselwirkung m m m

11 Die Welt der Elementarteilchen Kann man ein Proton röntgen? Wir wissen bereits kleine Abstände kurze Wellenlänge und kurze Wellenlänge hohe Energie. Andererseits aber E = mc 2 wobei m die Masse eines Teilchens ist. Die Energie des Lichts zum Röntgen eines Protons ruft Kernprozesse hervor! Beobachtung Wechselwirkung m m m

12 Das Elektron (1897) Das Elektron Elementarteilchenphysik Symbol Masse Ladung e 511keV 1e kg C J.J. Thomson d-orbitale im H-Atom Vorkommen: Atomhülle elementar: zb Fernsehröhre Besonderes: das leichteste geladene Teilchen g s = (15) Teilchenbeschleuniger: Primär- und Sekundärteilchen

13 Das Photon (1905) Elementarteilchenphysik Das Photon Symbol Masse Ladung γ 0 0 Phänomene: sichtbares Licht elektromagnetische Kraft Röntgenstrahlung Teilchenbeschleuniger: wichtiges Sekundärteilchen, kein Primärteilchen A. Compton A. Einstein M. Planck

14 Das Proton (1919) Das Proton Elementarteilchenphysik Symbol Masse Ladung p MeV +1e Zusammen mit dem Neutron bauen Proton und Elektron die gesamte sichtbare Materie auf. Vorkommen: Atomkern elementar: zb Protonentherapie Besonderes: Lebensdauer τ > a Teilchenbeschleuniger: Primär- und Sekundärteilchen am LHC E. Rutherford Rutherfordsches Streuexperiment

15 Elementarteilchenphysik Das Myon (1936) Das Myon Symbol µ Vorkommen: Masse 105.6MeV Ladung 1e Der Osterreicher Victor Hess hat 1936 den Nobelpreis f ur den Nachweis des Myons in der kosmischen H ohenstrahlung erhalten. Kosmische Strahlung Besonderes: Lebensdauer τ = s Teilchenbeschleuniger: wichtigstes Sekund arteilchen bei CMS am LHC Victor Hess Dr. Robert Sch ofbeck Inst. f ur Hochenergiephysik der OAW 16. Oktober 2009

16 Der Teilchenzoo Elementarteilchenphysik Der Teilchenzoo Dann wurden in rascher Folge viele Teilchen entdeckt: Vorkommen: nur im Teilchenbeschleuniger Besonderes: hohe Masse, kurze Lebensdauer τ s Hadronen Λ 0 + Ξ 0 Σ 0 Σ 0 Σ + Σ Ξ Willis Lamb I have heard it said that the finder of a new elementary particle used to be rewarded by a Nobel Prize, but such a discovery now ought to be punished by a $10, 000 fine. Willis Lamb, 1955

17 Der Teilchenzoo Elementarteilchenphysik Der Teilchenzoo Dann wurden in rascher Folge viele Teilchen entdeckt: Vorkommen: nur im Teilchenbeschleuniger Besonderes: hohe Masse, kurze Lebensdauer τ s Hadronen Λ 0 + Ξ 0 Σ 0 Σ 0 Σ + Σ Ξ Willis Lamb I have heard it said that the finder of a new elementary particle used to be rewarded by a Nobel Prize, but such a discovery now ought to be punished by a $10, 000 fine. Willis Lamb, 1955

18 QCD (1969) - färbige Quarks QCD Quantenchromodynamik Die Erklärung kam durch die QCD von M. Gell-Mann (1969) u.a.: Hadronen bestehen aus Quarks und tragen die Farbladung der starken Wechselwirkung. Proton

19 Neutrinos, W - und Z-Bosonen Die schwache Wechselwirkung β-zerfall des Neutrons Bereits 1920 wurde vom Österreicher Wolfgang Pauli (Nobelpreis 1945) spekuliert, dass es noch schwach wechselwirkende Teilchen geben müsse, da der Zerfall freier Neutronen anders nicht erklärt werden konnte. W. Pauli F. Reines Für die Entdeckung der Neutrinos 1956 erhielt F. Reines 1995 den Nobelpreis. Die Theorie die diesen Zerfall beschreibt sagt die Existenz von sogenannten W - und Z-Bosonen voraus (Nachweis 1983 am CERN).

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21 Das Higgs-Boson Das Higgs-Boson Elementarteilchenphysik Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Die Masse des Higgs-Bosons selbst ist im Standardmodell nicht vor riesigen Quantenkorrekturen geschützt. Das legt die Vermutung nahe, dass bei LHC-Energien noch Neues zu entdecken ist. first Higgs in ATLAS (4th April 2008)

22 Das Higgs-Boson Das Higgs-Boson Elementarteilchenphysik Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Die Masse des Higgs-Bosons selbst ist im Standardmodell nicht vor riesigen Quantenkorrekturen geschützt. Das legt die Vermutung nahe, dass bei LHC-Energien noch Neues zu entdecken ist. first Higgs in ATLAS (4th April 2008)

23 Das Higgs-Boson Das Higgs-Boson Elementarteilchenphysik Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Die Masse des Higgs-Bosons selbst ist im Standardmodell nicht vor riesigen Quantenkorrekturen geschützt. Das legt die Vermutung nahe, dass bei LHC-Energien noch Neues zu entdecken ist. first Higgs in ATLAS (4th April 2008)

24 Das Higgs-Boson Das Higgs-Boson Elementarteilchenphysik Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Die Masse des Higgs-Bosons selbst ist im Standardmodell nicht vor riesigen Quantenkorrekturen geschützt. Das legt die Vermutung nahe, dass bei LHC-Energien noch Neues zu entdecken ist. first Higgs in ATLAS (4th April 2008)

25 Zwei Protonen kollidieren im LHC und erzeugen ein W -Boson.

26 Das W -Boson zerfällt

27 Bremsstrahlung der einlaufenden Teilchen (ISR)

28 ...und der auslaufenden Teilchen (FSR)

29 Mehrteilchenwechselwirkungen

30 ...und deren Bremsstrahlung

31 Nebenprodukte und Beamartefakte

32 Alles ist von QCD-farb-strings umhüllt

33 ...welche in instabile Hadronen zerfallen...

34 ... welche weiter in stabile Hadronen (p, n...) zerfallen.

35 Elementarteilchenphysik Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische R atsel Die Milchstrasse Milchstrasse LJ m Unsere Sonne ist Teil der Milchstraße, eine Balkenspiralgalaxie mit rund Milliarden Sternen. Dicke der Scheibe 3000 Lichtjahre m Dr. Robert Sch ofbeck 1020 m Inst. f ur Hochenergiephysik der OAW 1021 m 16. Oktober 2009

36 Galaxie Elementarteilchenphysik Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel

37 Lokale Gruppe Elementarteilchenphysik Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel m

38 Superhaufen, Voids und Filamente Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel Superhaufen Filament Virgo-Cluster Sloan Great Wall Alter des Universums sichtbare Ausdehnung 13.7Mrd Jahre m

39 Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel WMAP - Wilkinson Microwave Anisotropy Probe WMAP ist ein Satellit am L2-Punkt und vermisst präzise die kosmische Hintergrundstrahlung, welche nach heutigem Verständniss ein Photo des Universums im Alter von etwa Jahren nach dem Urknall ist.

40 Elementarteilchenphysik Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische R atsel Woher kommt die Materie? Dr. Robert Sch ofbeck Inst. f ur Hochenergiephysik der OAW 16. Oktober 2009

41 Was ist die dunkle Materie? Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel Colliding cluster Hubble space telescope Weak lensing MACSJ0025 NASA/ESA A.Einstein Verteilung der dunklen Materie in einem Ausschnitt des Weltalls. Deutlich zu erkennen ist die Agglomeration der Materie. Hubble Space Telescope Cosmic Evolution Survey

42 Was ist dunkle Energie? Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel Zusammenfassung: 4 Fragen an die Teilchenphysik Natur der Masse: Warum haben Elementarteilchen Masse? Ursprung der Materie: Warum sind Materie und Antimaterie verschieden? Natur der dunklen Materie: Wo sind 80% der Materie in Galaxien? Dunkle Energie: Wo sind 72% der Energie im Universum?