Die Welt der Teilchen

Transkript

1 Die Welt der Teilchen Prof. André Schöning Physikalisches Institut Universität Heidelberg 1

2 Blick in die Tiefe des Universums 2

3 Blick in die Tiefe des Universums RAUM 3

4 Blick in die Tiefe des Universums RAUM ZEIT 4

5 Blick in die Tiefe des Universums RAUM ZEIT MATERIE 5

6 Von Materie... 6

7 ...zu Elementarteilchen 7

8 Alten Griechen Elementarteilchen? 8

9 Atomismums und Vakuum Platon (ca v. Chr) und Aristoteles (ca v. Chr): Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft Nicht seiendes gibt es nicht! Symmetrie + Äther 9

10 Atomismums und Vakuum Platon (ca v. Chr) und Aristoteles (ca v. Chr): Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft Nicht seiendes gibt es nicht! Symmetrie + Äther Demokrit (ca v. Chr) und Leukippos (5. Jahrh. vor Chr): Materie besteht aus unteilbaren Bestandteilen (Atome) Leerer Raum zwischen den Atomen (Vakuum) Atomismus + Vakuum Moderne Physik lehrt: alle hatten (zumindest teilweise) Recht! 10

11 Struktur der Materie Streuung von Teilchen (Heliumkerne) an einer Goldfolie Hans Geiger + Ernest Marsden Goldfolie Schlüsselexperiment! Messung des Streuwinkels Rutherford Streuformel (Coulomb Potenzial): Rate Z1 Z2 e 4E sin /2 sin /2 Die Goldfolie ist überwiegen leer! (Demokrit) 11

12 Alten Griechen Elementarteilchen? Kollegen (Quantenfeldtheoretiker) 12

13 Quantenfeldtheorie Physiker-Kollege: Ein Elementarteilchen ist ein angeregter Quantenzustand des Quantenfeld-Vakuums 13

14 Quantenfeld-Vakuum = See 14

15 angeregter Zustand = Teilchen 15

16 Quantenphysik Physiker-Kollege: Ein Elementarteilchen ist diskreter Zustand (abzählbar), der durch eine definierte Masse und bestimmten Quantenzahlen z.b. elektrische Ladung und Spin charakterisiert ist 16

17 unteilbarer Zustand Quanten-Zustand angeregter Zustand Vakuum Äther Elementarteilchen? Raum + Zeit Symmetrien Spin Masse Ladung Lebensdauer 17

18 Diskreter Zustand punktförmig (keine Struktur) nicht weiter teilbar! abzählbar ununterscheidbar Elektronen e- e- e- e- e- e- 18

19 Teilcheneigenschaften Geldstücke Elektronen e- e- e- e- e- e- 19

20 Teilcheneigenschaften Geldstücke Elektronen e- e- e- e- e- e- definierte (einheitliche) Masse: m = me = MeV/c2 definierte elektrische Ladung: Q = - e = Coulomb definierten Spin (Drehimpuls): J=½ħ 20

21 Ununterscheidbarkeit e - Zeit A e- Zeit A 21

22 Ununterscheidbarkeit Zeit B e e- e- - Zeit A Zeit A e- Zeit B 22

23 Ununterscheidbarkeit Zeit B e e- e- - Zeit A Zeit A e- Zeit B 23

24 Ununterscheidbarkeit Zeit B e e- e- - Zeit A Zeit A e- Zeit B 24

25 Unschärferelation Wichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik: Heisenberg'sche Unschärferelation p x x ℏ (Planck'sche Konstante) Impuls px und Ort x können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden! Planck'sches Wirkungsquantum 34 ℏ = Js = 10 m kg s 2 25

26 Unschärferelation Wichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik: Heisenberg'sche Unschärferelation p x x ℏ (Planck'sche Konstante) Impuls px und Ort x können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden! Planck'sches Wirkungsquantum Elektronen Masse: 34 ℏ = Js = 10 m kg s 2 MeV 30 m e = = kg 2 c 26

27 Unschärferelation Beispiel vy = 0 ± 10 cm/s? Proton Elektron e- p y = 0 ± 1 mm me v y y ℏ 27

28 Bahndrehimpuls? L = p r LZ 0? LZ = 0? LZ 0 p e- 28

29 Quantisierter Bahndrehimpuls LZ = ℏ LZ = 0 p e- L Z = ℏ L ist gequantelt! Wahrscheinlichkeiten 29

30 Doppelspaltexperiment Ereignis e- funktioniert mit Licht (Photonen) und Teilchen (z.b. Elektronen) Wahrscheinlichkeitsverteilung zeigt Interferenzmuster! 30

31 Interferenzen A = A1 + A2 A2 31

32 Wahrscheinlichkeiten Gott würfelt nicht (Albert Einstein) Experimente: die Natur würfelt! Teilchen werden durch eine komplexe Wellenfunktion beschrieben Wahrscheinlichkeit der Beobachtung: 2 P = = 32

33 Erste Zusammenfassung Teilchen sind punktförmige diskrete Zustände mit definierter Masse und Quantenzahlen, die Ausbreitung wird im Rahmen der Quantenmechanik mit Wellenfunktionen beschrieben Beobachtungen ( Ereignisse ) werden durch Wahrscheinlichkeiten beschrieben 33

34 Wechselwirkung von Teilchen Zeit B e e-? - S = 1 Zeit A e- Zeit A e- Zeit B 34

35 Wechselwirkung von Fermionen Zeit B Spin =1/2 ħ e-? µ - e- S = 1 Zeit A µ- Zeit A Spin-Flip! Zeit B 35

36 Wechselwirkung von Fermionen Zeit B Spin =1/2 ħ Photon γ e- µ e- Zeit A Zeit A - µ- Zeit B Austausch-Bosonen (Kraftteilchen) 36

37 Kraftteilchen (Bosonen) Teilchen Photon γ Spin =1 ħ Austauschkraft elektro-magnetisch Graviton G Massenanziehung Gluon g Farbkraft (starke WW) W±, Z0 -Bosonen schwache Wechselwirkung 37

38 Kraftteilchen (Bosonen) Masse Reichweite m = 0 mg = 0 mg = 0 mw = 80 GeV/c2 Spin =1 ħ m 38

39 Unschärferelation Energie und Zeit E t ℏ (Planck'sche Konstante) Energie E und Zeit t können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden! Für eine kurz Zeit t ist die Energie E unscharf 26 t = 10 s E ~ 80 GeV / c 2 39

40 Quantenfeldtheorie e e W u W Z u W Z W Z Z u g g G e u G G d e G e d W g u e G d W Z G Z G e u u d d g g d d g W g Z Vakuum ist ein See aus virtuellen Teilchen 40

41 Quantenfeldtheorie e e W u W Z u W Z W Z Z u g G G e u G d e G e d W g u e G d Z G e u u d d g W Z G neutron g g d d g W g Z 41

42 W- Boson neutron n 42

43 Quantenfeldtheorie Elektron p proton W- Boson e- Anti-Neutrino neutron n 26 t = 10 s 43

44 Teilchenerzeugung Kann man gezielt ein W± -Boson oder Z0Boson aus dem Vakuum erzeugen? 44

45 Teilchenerzeugung Kann man gezielt ein W± -Boson oder Z0Boson aus dem Vakuum erzeugen? Ja! Wenn man Energie in Masse umwandelt! 45

46 Woher kommt das Licht der Sonne? 46

47 Woher kommt das Licht der Sonne? aus Materie! 47

48 Woher kommt das Licht der Sonne? Kernfusion 48

49 Woher kommt das Licht der Sonne? E0 = m c 2 Kernfusion 49

50 Teilchenerzeugung e+ Positron Z0 -Boson Elektron e50

51 LEP Beschleuniger am CERN e+ e+ Positron Z0 -Boson Elektron e - e51

52 Ergebnisse e e Beschleuniger + - Z Resonanz-Peak 52

53 Standardmodel der Teilchenphysik elementare Teilchen: strukturlos punktförmig 3 Generationen von Fermionen 4 Bosonen (Austauschteilchen), Z, W±,g 53

54 54

55 Ungelöste Probleme der Teilchenphysik 1. Dunkle Energie und Dunkle Materie? 55

56 Universum ~72% Dunkle Energie im Universum ~23% Dunkle Materie im Universum ~4% gewöhnliche Materie (Baryonen, Elektronen, Neutrinos) 56

57 Ungelöste Probleme der Teilchenphysik 1. Dunkle Energie und Dunkle Materie? 2. Materie Antimaterie Asymmetrie? 57

58 Universum ~100% Materie ~0% Antimaterie 58

59 59

60 Proton Photon Antiproton Antimaterie + Materie Energie 60

61 61 Proton Photon Antiproton Antimaterie + Materie Energie

62 Energie Antimaterie + Materie Antiproton Photon Proton 62

63 Energie Antimaterie + Materie Antiproton Photon Proton Wie entsteht eine Asymmetrie? 63

64 Ungelöste Probleme der Teilchenphysik 1. Dunkle Energie und Dunkle Materie? 2. Materie Antimaterie Asymmetrie? 3. Woher kommt Masse vom W± und Z0? 64

65 Woher kommt Masse? Wie entsteht Masse? Urkilogramm (Paris) 65

66 Quantenfeldtheorien Teilchen werden in Quantenfeldtheorien durch Quantenfelder ( ) beschrieben: Wahrscheinlichkeiten = Postulat: zusätzliches skalares Higgs Quantenfeld (Teilchen) 66

67 Der Higgs-Kibble Mechanismus (1964) Brechung der Rotationssymmetrie Higgs Potential mexican hut Peter Higgs M skalares Higgs-Feld: V = 0 0 M Higgs Feld koppelt an alle bekannten Elementarteilchen Masse 67

68 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 68

69 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 69

70 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 70

71 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 71

72 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 72

73 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 73

74 Was ist das Higgs-Teilchen und warum wollen wir es finden? Frage des englischen Bildungsminister William Waldegrave 1993 Antwort: von David Miller, University College 74

75 Cocktailparty Gäste bilden einen See aus Higgs-Teilchen 75

76 Bekannte Politikerin tritt ein Der prominente Gast erhält Masse 76

77 Heiße Nachricht erreicht Party Gäste lassen sich durch Neuigkeit anregen 77

78 Heiße Nachricht erreicht Party Das angeregte Higgs-Feld hat eine Masse 78

79 Was wissen wir über das Higgs? Massengrenzen: 114 GeV M H 163 GeV kann beim Large Hadron Collider entdeckt werden! Masse 79

80 Large Hadron Collider CERN (Genf) Proton - Proton Kollisionen: 7 TeV 7 TeV ~10 km 80

81 ATLAS Experiment bei LHC (CERN, Genf) Untersuchung von Proton-Proton Streuung bei höchsten Energien von 14 TeV mehr als 150 Institute etwa 2500 Kollaborateure größter Detektor Datennahme ab Ende

82 e e simulierter Higgs Zerfall bei LHC 82

83 Ungelöste Probleme der Teilchenphysik 1. Dunkle Energie und Dunkle Materie? 2. Materie Antimaterie Asymmetrie? 3. Woher kommt Masse vom W± und Z0? 4. Struktur und Massen der Fermionen? 83

84 Masse der Fermionen Gold Proton Top Quark (t): M top = 171 GeV = ev Neutrinos: M 0.4 ev 84

85 Verhältnis der Teilchenmassen Top Quark m = 171 GeV/c2 Proton: m 1 GeV/c2 Elektron: m 0.5 MeV/c2 Neutrinos: m ev/c2 85

86 Ungelöste Probleme der Teilchenphysik 1. Dunkle Energie und Dunkle Materie? 2. Materie Antimaterie Asymmetrie? 3. Woher kommt Masse vom W± und Z0? 4. Struktur und Massen der Fermionen? 5. Was passiert bei hohen Energien? Neue Physik? Überaschungen? 86

87 Large Hadron Collider CERN (Genf) Proton - Proton Kollisionen: 7 TeV 7 TeV Viel Spass! ~10 km 87