Was die Welt im Innersten zusammenhält Eine Einführung in die Teilchenphysik
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- Herbert Brauer
- vor 6 Jahren
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1 Was die Welt im Innersten zusammenhält Eine Einführung in die Teilchenphysik Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Freiburg, 22. Dezember 2010
2 Was den Vortrag zusammen hält > Inhalt des Vortrags Grundfrage der Teilchenphysik Streuexperimente und Kernphysik Standardmodell der Teilchenphysik Historische Entwicklung Inhalt des Standardmodells Erfolge und offene Fragen Instrumente der Teilchenphysik Beschleuniger Detektoren Zusammenfassung Alltag und Karriere eines Teilchenphysikers > danach viel Zeit für Fragen Fragen können auch gerne während des Vortrags gestellt werden Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 2 / 52
3 Grundfrage der Elementarteilchenphysik > Was sind die wirklich elementaren Bestandteile unserer Welt? Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 3 / 52
4 Grundfrage der Elementarteilchenphysik > Was sind die wirklich elementaren Bestandteile unserer Welt? > Antworten im Standardmodell (SM) der Teilchenphysik zusammengefasst Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 4 / 52
5 Grundfrage der Elementarteilchenphysik > Was sind die wirklich elementaren Bestandteile unserer Welt? > Antworten im Standardmodell (SM) der Teilchenphysik zusammengefasst > Instrumente der Teilchenphysik Teilchenkollisionen, Streuexperimente Beschleuniger Detektoren Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 5 / 52
6 Streuexperiment Atommodell 1911 > Ernest Rutherford > Streuexperiment Goldfolie α-teilchen Das Unteilbare ἄτομος? Rosinenkuchenmodell? radioaktives Präparat Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 6 / 52 ZnSSchirm
7 Streuexperiment Atommodell - Erwartung > Rosinenkuchenmodell > Erwartetes Ergebnis Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 7 / 52
8 Streuexperiment Atommodell - Beobachtung > Rosinenkuchenmodell > Erwartetes Ergebnis > Meßergebnis Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 8 / 52
9 Streuexperiment Atommodell - Schlussfolgerung > Rosinenkuchenmodell > Erwartetes Ergebnis > Kernmodell > Meßergebnis Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 9 / 52
10 Streuexperiment Atommodell - Schlussfolgerung > Rosinenkuchenmodell fa > Kernmodell c s l > Erwartetes Ergebnis h! n t h ic o e b c a b > Meßergebnis Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 10 / 52 e t h t
11 Periodensystem der Elemente Kernphysik > Wasserstoff Kern: Proton Radius: 10-15m, positiv Hülle: Elektron punktförmig, negativ, mp/me 2000 > Helium doppelte Ladung, vierfache Masse Neutronen Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 11 / 52
12 Periodensystem der Elemente Kernphysik > Wasserstoff > Anzahl Protonen und Neutronen im Kern definiert chemische Elemente Kern: Proton Radius: 10-15m, positiv Hülle: Elektron punktförmig, negativ, mp/me 2000 > Helium doppelte Ladung, vierfache Masse Neutronen > Reduktion eines komplexen Systems auf drei elementare Teilchen Eleganz der Physik riesiger Erfolg für Kernphysik Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 12 / 52
13 Standardmodell der Teilchenphysik um 1930 > Teilcheninhalt Elektronen, Protonen, Neutronen > erste Detektoren Nebelkammern übersättigtes Luft-Alkohol-Gemisch geladene Teilchen erzeugen Kondensationsspuren > erster Beschleuniger kosmische Strahlung > Messungen Impuls & Energie Ladung Teilchenidentifikation invariante Masse aus Zerfallsprodukten Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 13 / 52
14 Messung von Teilcheneigenschaften > Trick: Magnetfeld anlegen Lorentzkraft krümmt Spuren von geladenen Teilchen Impuls proportional zu Radius der Spur Krümmungsrichtung abhängig von Ladung > Auswertung der NebelkammerAufnahmen mit Kurvenlinealen > Messung invariante Masse Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 14 / 52
15 Der Teilchenzoo > Entdeckung neuer Teilchen μ Y, J/ > Unterscheidung durch Masse Ladung Spin Isospin Seltsamkeit Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 15 / 52
16 Der Teilchenzoo > Entdeckung neuer Teilchen μ Y, J/ > Unterscheidung durch Masse Ladung Spin Isospin Seltsamkeit Ich habe sagen hören, daß der Finder eines neuen Elementarteilchens für gewöhnlich mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, aber eine solche Entdeckung sollte nun mit einer Strafe von $ belegt werden. Willis Lamb anläßlich der Verleihung des Nobelpreises 1955 Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 16 / 52
17 Der Achtfache Weg 1964 > Murray Gell-Mann Neutron Proton > Sortierung des Teilchenzoos Achsen mit Eigenschaften Ladung Spin Isospin Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 17 / 52
18 Hadron Multipletts > Alle Teilchen passen in Multipletts Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 18 / 52
19 Hadron Multipletts Quarkhypothese > Alle Teilchen passen in Multipletts > Vermutung Teilchen sind NICHT elementar, haben Substruktur Quarkhypothese Ladung der Quarks up: +2/3e, down: -1/3e, strange: -1/3e Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 19 / 52
20 Das Quarkmodell Teilchenphysik > drei Quarktypen: up, down, strange punktförmig 1/3-zahlige Ladung Antiquarks bis auf Ladungsvorzeichen gleich Farbladung > Hadronen des Teilchenzoos bestehen aus Quarks Mesonen zwei Quarks Baryonen drei Quarks Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 20 / 52
21 Das Quarkmodell Teilchenphysik > drei Quarktypen: up, down, strange > Quarkmodell beschreibt Hunderte von Teilchen punktförmig 1/3-zahlige Ladung Antiquarks bis auf Ladungsvorzeichen gleich Farbladung > Hadronen des Teilchenzoos bestehen aus Quarks Mesonen zwei Quarks Baryonen drei Quarks > Reduktion eines komplexen Systems auf drei elementare Teilchen Eleganz der Physik riesiger Erfolg für Teilchenphysik Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 21 / 52
22 Standardmodell der Teilchenphysik > vollständig bestimmt durch den effektiven Lagrangian Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 22 / 52
23 Teilchen und Kräfte im Standardmodell > Quarks up, down, strange, charm, top, bottom > Leptonen Elektron, Myon, Tau mit je 1 Neutrino > Austauschteilchen W±, Z0, Photon, Gluonen Higgs!? relative Stärke Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 23 / 52
24 Wechselwirkung über Austauschteilchen > abstoßende Wechselwirkung Medizinball werfen: 3. Newtonsches Axiom actio = reactio Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 24 / 52
25 Wechselwirkung über Austauschteilchen > abstoßende Wechselwirkung Medizinball werfen: 3. Newtonsches Axiom actio = reactio > anziehende Wechselwirkung Bumerang nach hinten werfen Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 25 / 52
26 Erfolge und offene Fragen des Standardmodells > alle Standardmodell Vorhersagen experimentell nachgewiesen! November-Revolution der Teilchenphysik 1974: charm Quark in J/Ψ > alle Präzisionsmessungen bestätigen Standardmodell! selbst am LHC bisher noch keine Abweichung gefunden un vo ll > Higgs-Mechanismus? st än di g Massenerzeugung der Teilchen über Higgs oder anderen Formalismus? e Li st > Dunkle Materie und Energie? e nur 4% der Materie im Universum wird vom Standardmodell beschrieben > Materie-Universum? warum entstand beim Urknall etwas mehr Materie als Antimaterie? > Vereinheitlichung der Kräfte? gibt es eine Energieskala auf der sich alles auf eine Urkraft zurückführen lässt? > zusätzliche Modelle wie zum Beispiel Supersymmetrie (SUSY)? neue Theorien könnten einen Teil der offenen Fragen klären Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 26 / 52
27 Dunkle Materie & Dunkle Energie > Spiralgalaxien Rotationsgeschwindigkeit nicht mit sichtbarer Masse erklärbar 22% Dunkle Masse > beschleunigte Expansion je weiter entfernt, umso schneller entfernen sich die Galaxien 74% Dunkle Energie Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 27 / 52
28 Dunkle Materie & Dunkle Energie > Spiralgalaxien > Jelly Bean Universe Rotationsgeschwindigkeit nicht mit sichtbarer Masse erklärbar 22% Dunkle Masse > beschleunigte Expansion je weiter entfernt, umso schneller entfernen sich die Galaxien 74% Dunkle Energie > nur 4% des Universums sind beobachtbar SUSY gibt Erklärungen soll am LHC entdeckt werden Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 28 / 52
29 Higgs-Mechanismus > Peter Higgs > Bindungsenergie definert unsere Massen > Standardmodell fordert masselose Teilchen Teilchenmassen als freie Parameter wirkt beliebig, nicht elegant Higgs-Mechanismus 1964 spontane Brechung der Eichsymmetrie durch ein Higgs-Feld Higgs-Teilchen, noch nicht entdeckt Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 29 / 52
30 Higgs-Mechanismus > Peter Higgs > Bindungsenergie definert unsere Massen > Standardmodell fordert masselose Teilchen Teilchenmassen als freie Parameter wirkt beliebig, nicht elegant Higgs-Mechanismus 1964 spontane Brechung der Eichsymmetrie durch ein Higgs-Feld Higgs-Teilchen, noch nicht entdeckt Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 30 / 52
31 Suche nach dem Higgs-Boson > am LHC muss das Higgs-Teilchen gefunden werden kleinere Massen von älteren Beschleunigern ausgeschlossen (LEP, Tevatron) theoretische Gründe: Higgs leichter als maximale LHC Schwerpunktsenergie > wenn es nicht gefunden wird? Riesensensation! Theoretiker müssen nachsitzen > wenn es gefunden wird? ist Peter Higgs ein Nobelpreis-Kandidat wird ein Leptoncollider (e+e-) für Präzisonsmessungen nötig (ILC) Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 31 / 52
32 Instrumente der Teilchenphysik > Was sind LHC, ILC, Tevatron, LEP und HERA? > Beschleuniger! brandaktuell: Large Hadron Collider (pp) International Linear Collider (e+e-) > Teilchenphysik: Kollisionen von hochrelativistischen Teilchen Beschleuniger erzeugen kollidierende Strahlen Detektoren vermessen die Kollisionen > Beschleuniger im (Schul-)Alltag Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 32 / 52
33 Wie funktioniert ein Beschleuniger? > Gas geben - Beschleunigen elektrisches Feld - erzeugt durch Hochspannung - beschleunigt Ladungsträger Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 33 / 52
34 Wie funktioniert ein Beschleuniger? > Gas geben - Beschleunigen elektrisches Feld - erzeugt durch Hochspannung - beschleunigt Ladungsträger supraleitende radiofrequency cavities Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 34 / 52
35 Wie funktioniert ein Beschleuniger? > Gas geben - Beschleunigen elektrisches Feld - erzeugt durch Hochspannung - beschleunigt Ladungsträger supraleitende radiofrequency cavities > Kurve kriegen - Ablenken im Ringbeschleuniger magnetisches Feld zwingt Ladungsträger auf Kreisbahn Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 35 / 52
36 Wie funktioniert ein Beschleuniger? > Gas geben - Beschleunigen elektrisches Feld - erzeugt durch Hochspannung - beschleunigt Ladungsträger supraleitende radiofrequency cavities > Kurve kriegen - Ablenken im Ringbeschleuniger magnetisches Feld zwingt Ladungsträger auf Kreisbahn supraleitende Magnete Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 36 / 52
37 Beschleuniger in der Teilchenphysik > Hadron Elektron RingAnlage, DESY Protonstruktur Untersuchungen 6,3 km Umfang, 25 m unter Hamburg Strahlkreuzung Elektron-Proton alle 96 ns entspricht 10 MHz Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 37 / 52
38 Beschleuniger in der Teilchenphysik > Hadron Elektron RingAnlage, DESY Protonstruktur Untersuchungen 6,3 km Umfang, 25 m unter Hamburg Strahlkreuzung Elektron-Proton alle 96 ns entspricht 10 MHz > Large Hadron Collider, CERN Entdeckermaschine 27 km Umfang, 100 m unter Genf ?? Strahlkreuzung Proton-Proton alle 25 ns entspricht 40 MHz Energie in den Strahlen ICE bei 200 km/h Energie pro Proton fliegende Mücke, ABER mp=0, g Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 38 / 52
39 Ein Blick in die Tunnel > Beschleuniger Tunnel Strahlrohre supraleitende Magnetsysteme Beschleunigungsstrecken Fokussiermagnete HERA Proton Ring supraleitend Elektron Ring LHC supraleitende Cavities (Beschleunigung) RF Zuführung Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 39 / 52
40 Warum immer größere Beschleuniger? > höhere Energie bedeutet größere erreichbare Masse > höhere Energie benötigt größere Beschleuniger > höhere Energie benötigt größere Detektoren, alle Teilchen müssen gestoppt werden Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 40 / 52
41 Teilchendetektoren > 1979 JADE (PETRA) 6,5 x 6,5 x 8 m t 240 Elefanten > 1991 H1 (HERA) 12 x 10 x 15 m t 560 Elefanten Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 41 / 52
42 Moderne Teilchendetektoren > 1979 JADE (PETRA) 6,5 x 6,5 x 8 m t 240 Elefanten > 1991 H1 (HERA) 12 x 10 x 15 m t 560 Elefanten > 2009 CMS (LHC) 15 x 15 x 21,6 m t 2500 Elefanten > 2009 ATLAS (LHC) 22 x 22 x 45 m t 1400 Elefanten Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 42 / 52
43 Moderne Teilchendetektoren > 1979 JADE (PETRA) 6,5 x 6,5 x 8 m t 240 Elefanten > 1991 H1 (HERA) 12 x 10 x 15 m t 560 Elefanten > 2009 CMS (LHC) 15 x 15 x 21,6 m t 2500 Elefanten > 2009 ATLAS (LHC) 22 x 22 x 45 m t 1400 Elefanten Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 43 / 52
44 Moderne Teilchendetektoren > 1979 JADE (PETRA) 6,5 x 6,5 x 8 m t 240 Elefanten > 1991 H1 (HERA) 12 x 10 x 15 m t 560 Elefanten > 2009 CMS (LHC) 15 x 15 x 21,6 m t 2500 Elefanten > 2009 ATLAS (LHC) 22 x 22 x 45 m t 1400 Elefanten r h a J / B B P G 5 n 1 io : l n l i e t 1 M a -D = C LH PB 1 Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 44 / 52
45 Prinzip von Teilchendetektoren > Teilchen mit hoher Masse > Detektor der Hochenergiephysik Lebensdauer sehr kurz nur Zerfallsprodukte detektierbar volle Raumwinkelabdeckung Zwiebelschalenprinzip Subdetektoren erfüllen verschiedene Zwecke Rückschluss auf produzierte Teilchen invariante Masse Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 45 / 52
46 Aufbau moderner Teilchendetektoren > immer gleich Spurkammern: geladene Teilchen Kalorimeter: Stoppen aller Teilchen, Energiemessung Magnetspule: Spurkrümmung, Impulsmessung Rückflussjoch: Feldlinienabschluss und Myondetektion Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 46 / 52
47 Aufbau moderner Teilchendetektoren > immer gleich Spurkammern: geladene Teilchen Imp Energiemessung Kalorimeter: Stoppen aller Teilchen, u T eilc ls Magnetspule: Spurkrümmung, Impulsmessung hen Rückflussjoch: Feldlinienabschluss und Myondetektion i & E ner gie den tif ika t Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 47 / 52 i on
48 Teilchenphysik in a nutshell > Beschleunigung von Elektronen oder Protonen supraleitende Cavities und Magnete > Kollisionen bei sehr hohen Energien Beispiel LHC: 14 TeV > Detektion der Kollisionsereignisse riesige Mehrzweckdetektoren > Teilchenidentifikation Messung von Impuls und Energie > Rückschluss auf im Kollisionsschwerpunkt erzeugte Teilchen Methode der invarianten Masse > Bestätigung oder Widerspruch zum Standardmodell Higgs? Dunkle Materie? SUSY? Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 48 / 52
49 Teilchenphysiker Alltag > Analyse von Detektordaten auf der Suche nach neuen Erkenntnissen Datennahme-Schichten am Detektor Programmier-Arbeit am PC > Detektor/Beschleuniger-Entwicklung Bau und Test neuer Komponenten Prototypen-Entwicklung im Labor Datenanalyse am Computer > Meetings, Konferenzen, Publikationen Teilchenphysik: teamwork in großen Kollaborationen Arbeitssprache Englisch Vorträge und Reisen gehören zum Alltag Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 49 / 52
50 Mein Weg in die Teilchenphysik > Abitur 2000 am Rotteck-Gymnasium Leistungskurse: Mathe und Chemie > Studium der Physik in Hamburg Schwerpunkt im Vordiplom: Astrophysik Schwerpunkt im Hauptdiplom: Teilchenphysik Diplomarbeit: Suche nach W-Bosonen bei H1 in Daten aus dem Jahr 2005 > Promotion halbe Stelle als wissenschaftliche Mitarbeiterin am DESY Detektorentwicklung Doktorarbeit: Analysis of GEM Properties and Development of a GEM Support Structure for the ILD Time Projection Chamber > Postdoc seit April Jahre DESY Fellow, volle Stelle Beschleunigerentwicklung Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 50 / 52
51 Euer Weg zum Teilchenphysiker > Heute: Interesse an der Physik und der Frage nach den grundlegenden Prinzipien unseres Universums > Morgen: Masterclass am Rotteck oder gar Besuch bei DESY Netzwerk Teilchenwelt bringt Masterclasses an Schulen Führungen am DESY werden angeboten > nächstes Jahr: Praktikum am DESY ist jederzeit möglich, an mich und ihr bekommt einen Platz > nach dem Abitur: Studium der Physik wird an den meisten Universitäten angeboten > als Bachelor: Sommerstudent am DESY, CERN oder Fermilab hilft einen detaillierten Einblick zu bekommen > in ein paar Jahren: Masterarbeit und Promotion in Hochenergiephysik fertig ist der Teilchenphysiker! Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 51 / 52
52 Mehr Informationen und Links > Netzwerk für Schüler, Lehrer und Wissenschaftler > Masterclasses Freiburg, im Rahmen des Netzwerks Teilchenwelt > Einführung in Teilchenphysik vom DESY > alles über das DESY > alles über das CERN > bei allen Fragen zu Praktika, Studium usw. >...und jetzt eure Fragen! Lea Steder Teilchenphysik am Rotteck-Gymnasium Seite 52 / 52
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