Vom Standardmodell zur dunklen Materie

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1 Vom Standardmodell zur dunklen Materie Atomismus, die Bausteine der Materie Wechselwirkungen und Kräfte Der heilige Gral der Teilchenphysik Offene Fragen Prof. Ch. Berger RWTH Aachen Teilchenphysik und Kosmologie

2 Atomismus oder die Bausteine Nach R. Feynman ist der Atomismus die wichtigste der Materie wissenschaftliche Idee überhaupt. Atome Kerne und Elektronen Proton und Neutron Quarks und Leptonen

3 Atome = harte Kugeln? Daltons Gesetze der Chemie Gasgesetze John Dalton ( ) Ludwig Boltzmann ( )

4 Atome sind zusammengesetzt Endlicher Radius, 0.1 nm Angeregte Zustände 9 1nm=10 m 1 = 13.6eV R y W n = R n y 2 hf = W W m n

5 Atom=Kern+Elektronenhülle Punktförmiger Kern mit Z positiven Ladungen trägt fast die gesamte Masse des Atoms. Er ist von Z negativ geladenen Elektronen umgeben. E. Rutherford

6 Das Periodensystem der Elemente

7 Kerne sind zusammengesetzt Endlicher Radius, 2-10 fm Angeregte Zustände 15 1fm = 10 m Streuversuche an Elektronen zeigen: Das Elektron ist punktförmig, Radius < 1/1000 fm. Euklid: Ein Punkt ist, was keine Teile hat.

8 Elementarteilchen 1930 und : Kernbausteine Proton und Neutron W W W 0, p on, n 0, e = 938,3 MeV Q =+ 1 = 939,6 MeV Q = 0 = 0,511 MeV Q = 1 Q = 0 i = pne,, i Radioaktivität: n p+ e+ ν 0, 0 Q = 0 e p W ν ν Elementarteilchen 1950: p ν n e, Q = 0 i Hadronen: Radius 1,3 fm, Leptonen punktförmig

9 Nukleonen sind zusammengesetzt Direkter Nachweis durch Elektronenstreuung Endlicher Radius, 1,3 fm Angeregte Zustände Quarks ud, W W ou, on, 3 MeV, Q = MeV, Q = p= uud, n= udd u n 1 3 Neu: Quarks sind im Proton gefangen. Masse des Atoms ist im wesentlichen durch Feldenergie der Gluonen bestimmt.

10 Elementarteilchen 1970 u ν, d e Jedes Quark hat 3 sog. Farbladungen, daher Q i = 0 Jedes Teilchen ist punktförmig Jedes Teilchen hat Spin ½ Zu jedem Teilchen gehört ein Antiteilchen

11 Neue Sorten Materie Myon = schweres Elektron W R 0, µ y, µ = 105 MeV = 1428 ev I. Rabi: Who ordered that?

12 Das Periodensystem des Mikrokosmos W ot, = 175 GeV W0, τ = 1777 MeV Fundamentale ungelöste Fragen: Warum 3 Familien? Massenspektrum

13 Wechselwirkungen und Kräfte Gravitation Elektromagnetische Kraft Schwache Kraft Starke Kraft

14 Die elektromagnetische Wechselwirkung Ist am besten verstanden. Klassische Theorie erklärt Kräfte und elektromagnetische Wellen durch Felder

15 Quantenelektrodynamik In der QED werden beide Aspekte vereinigt: Emission und Absorption von Photonen T fi e W e 1 α = 2πε hc = 137, γ, 0

16 Austauschteilchen Graviton Photon +/+/- W,Z Gluon 0

17 Schwache und starke Wechselwirkung M. Gell Mann

18 Das Standard Modell Alle Bausteine haben Spin ½. Alle Feldquanten haben Spin 1

19 Die elektroschwache Wechselwirkung Glashow, Salam,Weinberg: g w = esin Θ W S. Weinberg

20 GUT s Die theoretischen Rechnungen zeigen, daß die Kopplungen von der Energie bzw. dem Abstand der Reaktionspartner abhängen. Die Wechselwirkungen des Standardmodells streben nach einem gemeinsamen Punkt bei sehr hohen Energien. Umgekehrt folgt daraus eine Begründung für die Anzahl der Familien.

21 Der heilige Gral der Teilchenphysik Eine konsistente Durchführung der vereinheitlichten Theorien ist nur möglich, wenn alle Teilchen Masse 0 haben. Ausweg: Einführung eines Hilfsfeldes mit Quanten, die Spin 0 tragen. Peter Higgs

22 Higgs Analogie 1 Higgs-Hintergrundfeld erfüllt den Raum

23 Higgs Analogie 2... Widerstand gegen Bewegung... Trägheit -> Masse

24 und wo ist das Higgs? Wir können aus Präzisionsmessungen und auf Grund einer sehr guten Theorie vorhersagen, wo wir das Higgs Teilchen erwarten.. Analogie: Suche nach Planeten Zeitliche Entwicklung unseres Wissens über die Masse des Higgs

25 Das Beschleunigerprinzip Zum Erzeugen eines Teilchens mit der Ruheenergie 200 GeV braucht man 2 Teilchenstrahlen mit kinetischen Energien von mindestens 100 GeV V= kv

26 Der Large Hadron Collider Proton-Proton Collider Im Bau bei CERN (27 km Umfang) Betrieb ab in 2007 Entdeckung durch Energie

27 Präzisionsmessungen in der Elektron Positron Vernichtung Die präzise Vermessung der Z Resonanz legte die Parameter des Standard Modells fest, z.b. die Zahl der Familien und die erlaubte Masse des Higgs Bosons

28 Ein typischer LHC Detektor

29 Eine 4 Herausforderung H µ

30 Ist die Theorie konsistent? In der Theorie ist die Masse des Higgs nicht stabil. Sie wird durch Quantenkorrekturen nach unendlich gezogen. Die für viele Theoretiker attraktivste Lösung ist die Supersymmetrie, SUSY

31 4. Teilchenphysik und Kosmologie Dunkle Materie Dunkle Energie

32 Dunkle Materie

33 Neutrinos haben Masse Untersuchungen der quantenmechanischen Interferenzen der verschiedenen Neutrinosorten haben gezeigt, daß auch Neutrinos Masse haben.aber diese ist sehr klein. W0, ν 0.02 ev

34 Supernovae und dunkle Energie Aus der Rotverschiebung der Spektren werden Geschwindigkeit und Beschleunigung der Fluchtbewegung bestimmt. Daraus kann die kosmologische Konstante bestimmt werden.

35 Materie und Energie im Universum Eine seltsame Rezeptur! SUSY?

36 I. Newton Zusammenfassung W. Heisenberg A. Einstein Nach 370 Jahren exakter Naturwisssenschaften haben wir ein tiefgehendes Verständnis der Naturgesetze auf Skalen 26 zwischen und m Der Zusammenhang zwischen der Physik des unendlich Kleinen und des unendlich Großen wird klar. Aber: Die Materie, die wir kennen, erklärt nur 4% des Inhalts des Universums! Die nächsten Jahre werden sehr spannend! P. Dirac

37 No Md Fm Es Cf Bk Cm Am Pu Np U Pa Th Ac Yb Tm Er Ho Dy Tb Gd Eu Sm Pm Nd Pr Ce La Mt Hs Ns Sg Db Rf Lr Ra Fr Rn At Po Bi Pb Tl Hg Au Pt Ir Os Re W Ta Hf Lu Ba Cs Xe I Te Sb Sn In Cd Ag Pd Rh Ru Tc Mo Nb Zr Y Sr Rb Kr Br Se As Ge Ga Zn Cu Ni Co Fe Mn Cr V Ti Sc Ca K Ar Cl S P Si Al Mg Na Ne F O N C B Be Li He H Altertum Jhd. 18. Jhd. 19. Jhd. 20. Jhd. Periodensystem der Elemente Periodensystem der Elemente