Masse von Newton und Einstein zu Higgs und dunkler Materie

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1 von Newton und Einstein zu Higgs und dunkler Materie Institut f. Kern- und Teilchenphysik Dresden,

2 Inhalt 1 Einleitung 2 Newton träge und schwere 3 Einstein bewegte und Ruhemasse 4 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss

3 Aktuelle Motivation Der Large Hadron Collider am CERN Gibt es ein Higgsfeld?

4 Aktuelle Motivation Dunkle Materie und dunkle Energie Es gibt dunkle Materie! Woraus besteht sie?

5 Outline Einleitung 1 Einleitung 2 Newton träge und schwere 3 Einstein bewegte und Ruhemasse 4 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss

6 Ziel Einleitung Erklärung von Naturphänomenen (Licht, Schall, Wärme, Bewegung,... )

7 Ziel Einleitung Erklärung von Naturphänomenen (Licht, Schall, Wärme, Bewegung,... ) Beschränkung auf eine Klasse: z.b. Bewegung

8 Ziel Einleitung Erklärung von Naturphänomenen (Licht, Schall, Wärme, Bewegung,... ) Beschränkung auf eine Klasse: z.b. Bewegung Begriffsbildungen: Ort Geschwindigkeit Kraft

9 Outline Newton träge und schwere 1 Einleitung 2 Newton träge und schwere 3 Einstein bewegte und Ruhemasse 4 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss

10 Newton Newton träge und schwere Newton Bewegung von Körpern (Bleikugel, Vogelfeder, Planeten... ): Grundfrage: Was ist der natürliche Bewegungszustand eines Körpers? Antwort: Ruhe auf dem Erdboden??? falsch!

11 Newton Newton träge und schwere Newton Bewegung von Körpern (Bleikugel, Vogelfeder, Planeten... ): Grundfrage: Was ist der natürliche Bewegungszustand eines Körpers? Richtige Antwort: gleichförmige Bewegung

12 Newton Newton träge und schwere Newton Bewegung von Körpern (Bleikugel, Vogelfeder, Planeten... ): Grundfrage: Was ist der natürliche Bewegungszustand eines Körpers? Richtige Antwort: gleichförmige Bewegung Auf der Erde: Luft! (überall, daher kaum zu bemerken)

13 Newton Newton träge und schwere Newton Bewegung von Körpern (Bleikugel, Vogelfeder, Planeten... ): Grundfrage: Was ist der natürliche Bewegungszustand eines Körpers? Richtige Antwort: gleichförmige Bewegung Auf der Erde: Luft! (überall, daher kaum zu bemerken) Wann bemerken wir Luft? z.b. Wind = ungleichmässige Luftbewegung

14 Newton Newton träge und schwere Zweite Frage: Wie kann man Bewegung beeinflussen?

15 Newton Newton träge und schwere Zweite Frage: Wie kann man Bewegung beeinflussen? durch Kräfte aber wie genau? welche Größe ist entscheidend? Farbe, Form, Volumen, Oberfläche???

16 Newton träge und schwere Newton Zweite Frage: Wie kann man Bewegung beeinflussen? durch Kräfte aber wie genau? welche Größe ist entscheidend? Farbe, Form, Volumen, Oberfläche??? Newtons Antwort: entscheidend: Träge Kraft=Träge * Beschleunigung M T =charakteristische Eigenschaft eines Objektes Bewegungsänderung nur durch Krafteinwirkung Objekte mit gleichem M T verhalten sich identisch!

17 Newton träge und schwere Newton Zweite Frage: Wie kann man Bewegung beeinflussen? durch Kräfte aber wie genau? welche Größe ist entscheidend? Farbe, Form, Volumen, Oberfläche??? Newtons Antwort: entscheidend: Träge F = M T a M T =charakteristische Eigenschaft eines Objektes Bewegungsänderung nur durch Krafteinwirkung Objekte mit gleichem M T verhalten sich identisch!

18 Newton Newton träge und schwere M T =charakteristische Eigenschaft eines Objektes Bleikugel, Vogelfeder, Planet reduziert auf npunkte Kräfte: viele Möglichkeiten Reibung (Luft), Werfen, Schwerkraft

19 Newton Newton träge und schwere Wie funktioniert Schwerkraft? ein Körper, z.b. Erde, erzeugt Schwerkraft-Feld zweiter Körper, z.b. Stein, vom ersten angezogen

20 Newton Newton träge und schwere Wie funktioniert Schwerkraft? ein Körper, z.b. Erde, erzeugt Schwerkraft-Feld zweiter Körper, z.b. Stein, vom ersten angezogen Wie stark?

21 Newton Newton träge und schwere Wie funktioniert Schwerkraft? ein Körper, z.b. Erde, erzeugt Schwerkraft-Feld zweiter Körper, z.b. Stein, vom ersten angezogen Wie stark? Antwort: entscheidende Grösse: Schwere Schwerkraft = (Schwere )*(Schwerkraft-Feld)

22 Newton Newton träge und schwere Wie funktioniert Schwerkraft? ein Körper, z.b. Erde, erzeugt Schwerkraft-Feld zweiter Körper, z.b. Stein, vom ersten angezogen Wie stark? Antwort: entscheidende Grösse: Schwere F = M S (Schwerkraft Feld)

23 Newton Newton träge und schwere Meilenstein-Erkenntnis: M T = M S für alle Körper

24 Newton Newton träge und schwere Meilenstein-Erkenntnis: M T = M S für alle Körper Daher Beschleunigung = Schwerkraft Feld für alle Körper alle Körper fallen gleich schnell Planetenbewegung hängt nicht von der des Planeten ab

25 Newton Newton träge und schwere Zusammenfassung Newton M T = M S Schwere = Träge = charakteristische Eigenschaft eines Körpers

26 Outline Einstein bewegte und Ruhemasse 1 Einleitung 2 Newton träge und schwere 3 Einstein bewegte und Ruhemasse 4 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss

27 Einstein bewegte und Ruhemasse Einstein Relativitätstheorie: 1 Physik in allen Bezugssystemen gleich 2 Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen gleich km/sec Gedankenexperiment...

28 Einstein bewegte und Ruhemasse Einstein Relativitätstheorie: 1 Physik in allen Bezugssystemen gleich 2 Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen gleich km/sec Gedankenexperiment... kein Körper kann sich schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen!

29 Einstein Einstein bewegte und Ruhemasse F = M T a Widerspruch, beliebige Beschleunigung scheint möglich?

30 Einstein Einstein bewegte und Ruhemasse F = M T a Widerspruch, beliebige Beschleunigung scheint möglich? Lösung: M T wird immer grösser

31 Einstein bewegte und Ruhemasse Einstein F = M T a Widerspruch, beliebige Beschleunigung scheint möglich? Lösung: M T wird immer grösser v = 0km/sec v = km/sec v = km/sec v = km/sec M T = 1000kg M T = 1200kg M T = 12000kg M T = 36000kg

32 Einstein Einstein bewegte und Ruhemasse F = M T a Widerspruch, beliebige Beschleunigung scheint möglich? Lösung: M T wird immer grösser Alltag: dieser Effekt nicht bemerkbar / auch nicht für Newton

33 Einstein Einstein bewegte und Ruhemasse F = M T a Widerspruch, beliebige Beschleunigung scheint möglich? Lösung: M T wird immer grösser M T keine charakteristische Grösse des Körpers! Hängt vom Bewegungszustand ab bewegte

34 Einstein bewegte und Ruhemasse Einstein Abschweifung: Energie... wichtigste Grösse der Physik Wärmeenergie, elektrische Energie (Strom), Kernenergie, chemische Energie (Öl, Kohle, Nahrung), Bewegungsenergie,...

35 Einstein bewegte und Ruhemasse Einstein Abschweifung: Energie... wichtigste Grösse der Physik Wärmeenergie, elektrische Energie (Strom), Kernenergie, chemische Energie (Öl, Kohle, Nahrung), Bewegungsenergie,... 1 Energie erhalten 2 Energie umwandelbar chem. Energie ւ ց elektr./wärme Bewegung Alltagsphysik = Energieumwandlungen

36 Einstein Einstein bewegte und Ruhemasse Warum ist Energie wichtig? Satz der theoretischen Physik: Noethertheorem

37 Einstein Einstein bewegte und Ruhemasse Warum ist Energie wichtig? Satz der theoretischen Physik: Noethertheorem Wenn Naturgesetze sich mit der Zeit nicht ändern dann gibt es erhaltene Grösse Energie ist definiert als diese Grösse, daher in allen Bereichen der Physik wichtig und universell erhalten

38 Einstein Einstein bewegte und Ruhemasse erhaltene Grösse Energie in der Relativitätstheorie

39 Einstein Einstein bewegte und Ruhemasse erhaltene Grösse Energie in der Relativitätstheorie E = M T c 2

40 Einstein bewegte und Ruhemasse Einstein erhaltene Grösse Energie in der Relativitätstheorie E = M T c 2 Energie hängt mit Bewegungszustand zusammen Energie und bewegte äquivalent, M T weniger wichtig

41 Einstein Einstein bewegte und Ruhemasse Schwere? Allgemeine Relativitätstheorie: M T = M S Energie und schwere äquivalent, M S weniger wichtig

42 Einstein Einstein bewegte und Ruhemasse Zusammenfassung Einstein M T = M S = E/c 2 Schwere/träge = bewegte = Energie charakteristische Eigenschaft eines Körpers: im Ruhezustand, Ruhemasse M 0

43 Heute? Einstein bewegte und Ruhemasse Wichtige Konzepte (vor Quantenmechanik) Energie Ruhemasse Ort Geschwindigkeit... Zustand char. Grösse eines Objektes

44 Heute? Einstein bewegte und Ruhemasse Wichtige Konzepte (nach Quantenmechanik) Energie Ruhemasse Ort Geschwindigkeit... Zustand char. Grösse eines Objektes

45 Heute? Einstein bewegte und Ruhemasse Relativität + Quantenmechanik grundlegende Bausteine: Elementarteilchen/Elementarwechselwirkungen Drei char. Grössen von Elementarteilchen 1 Ruhemasse 2 Spin 3 Ladung

46 Heute? Einstein bewegte und Ruhemasse Relativität + Quantenmechanik grundlegende Bausteine: Elementarteilchen/Elementarwechselwirkungen Drei char. Grössen von Elementarteilchen 1 Ruhemasse 2 Spin 3 Ladung Elektron Neutrino Quarks Photon W Z Spin 1/2 1

47 Heute? Einstein bewegte und Ruhemasse Relativität + Quantenmechanik grundlegende Bausteine: Elementarteilchen/Elementarwechselwirkungen Drei char. Grössen von Elementarteilchen 1 Ruhemasse 2 Spin 3 Ladung Elektron Neutrino Quarks Photon W Z Ladung , ±1 0

48 Heute? Einstein bewegte und Ruhemasse Relativität + Quantenmechanik grundlegende Bausteine: Elementarteilchen/Elementarwechselwirkungen Drei char. Grössen von Elementarteilchen 1 Ruhemasse 2 Spin 3 Ladung Elektron Neutrino Quarks Photon W Z Ruhemasse

49 Heute? Einstein bewegte und Ruhemasse Relativität + Quantenmechanik grundlegende Bausteine: Elementarteilchen/Elementarwechselwirkungen Drei char. Grössen von Elementarteilchen 1 Ruhemasse 2 Spin 3 Ladung Elektron Neutrino Quarks Photon W Z Ruhemasse Heutige Frage: Wieso diese n?

50 Outline Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld 1 Einleitung 2 Newton träge und schwere 3 Einstein bewegte und Ruhemasse 4 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss

51 Higgs Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Frage: Sind die Ruhemassen M 0 Naturkonstanten, die man nicht weiter erklären kann?

52 Higgs Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Frage: Sind die Ruhemassen M 0 Naturkonstanten, die man nicht weiter erklären kann? Unmöglich wegen QM+Relativität!

53 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Frage: Sind die Ruhemassen M 0 Naturkonstanten, die man nicht weiter erklären kann? Betrachte Photon, W, Z: Teilchen mit Spin 1: Unmöglich wegen QM+Relativität! alle diese Teilchen müssen gleich behandelt werden ( Symmetrie ) M Photon = 0 M W,Z = 0 Widerspruch zur Beobachtung!

54 Higgs Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Satz der theoretischen Physik: Higgsmechanismus

55 Higgs Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Satz der theoretischen Physik: Higgsmechanismus Die einzige Möglichkeit (gemäss QM+Relativität) für M Photon = 0, M W,Z 0 ist der Higgsmechanismus: spontane Symmetriebrechung Higgs-Hintergrundfeld n

56 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Spontane Symmetriebrechung Spontane Symmetriebrechung Symmetriebrechung=alltägliches Phänomen Nötig: Symmetrie + Objekt, das Symmetrie bricht

57 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Spontane Symmetriebrechung Spontane Symmetriebrechung 1 Phänomene, die mit der Natur der Symmetrie/Brechung zu tun haben ( Nambu-Mode ) 2 Phänomene, die mit der Natur des Objektes zu tun haben ( Higgs-Mode )

58 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: ( Photon ) W,Z

59 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: ( Photon W,Z ) Feld im Vakuum (vgl. Frisur)

60 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: ( Photon W,Z ) Feld im Vakuum (vgl. Frisur) 1 Photon-Bewegung ungehindert, M Photon = 0 W,Z-Bewegung behindert, M W,Z 0 unabhängig von Eigenschaften des Feldes ( Nambu-Mode )

61 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: ( Photon W,Z ) Feld im Vakuum (vgl. Frisur) 1 Photon-Bewegung ungehindert, M Photon = 0 W,Z-Bewegung behindert, M W,Z 0 ( Nambu-Mode ) unabhängig von Eigenschaften des Feldes Existenz des Feldes sicher, Eigenschaften unbekannt

62 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: ( Photon W,Z ) Feld im Vakuum (vgl. Frisur) 1 Photon-Bewegung ungehindert, M Photon = 0 W,Z-Bewegung behindert, M W,Z 0 unabhängig von Eigenschaften des Feldes ( Nambu-Mode ) 2 Feld selbst kann angeregt werden ( Higgs-Mode ) abhängig von Eigenschaften des Feldes

63 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: ( Photon W,Z ) Feld im Vakuum (vgl. Frisur) 1 Photon-Bewegung ungehindert, M Photon = 0 W,Z-Bewegung behindert, M W,Z 0 unabhängig von Eigenschaften des Feldes ( Nambu-Mode ) 2 Feld selbst kann angeregt werden ( Higgs-Mode ) abhängig von Eigenschaften des Feldes Anregungen/Higgs-Mode Erforschung der Eigenschaften!

64 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Hintergrundfeld Beispiele, Analogien: Luft: wann bemerken wir Luft? Wie ermitteln wir Eigenschaften der Luft? Wind ungleichmässige Luftbewegung

65 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Hintergrundfeld Beispiele, Analogien: Nambu-Mode: Kämmen mit dem Strich: M Photon = 0 Kämmen gegen den Strich: M W,Z 0 Higgs-Mode: An Haaren ziehen, ausreissen Eigenschaften der Haare

66 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Hintergrundfeld Nambu-Mode: Hintergrundfeld verleiht, hängt ab von Beliebtheit Higgs-Mode: Eigenschaften des Feldes: wie schnell/gut breitet sich Gerücht aus?

67 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Hintergrundfeld Nambu-Mode: Hintergrundfeld verleiht, hängt ab von Beliebtheit Higgs-Mode: Eigenschaften des Feldes: wie schnell/gut breitet sich Gerücht aus?

68 Higgs Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld Was wissen wir über das Higgs-Hintergrundfeld? Muss existieren, damit Elementarteilchen haben Feldstärke muss 250 GeV sein Ziel aktueller Forschung: Higgsfeld anregen Eigenschaften Beweis der Existenz des Higgsfeldes Higgsbosonen/Higgs-Teilchen finden Vgl: schwerstes El.teilchen bisher 170 GeV Higgsfeld 250 GeV LHC-Energie GeV

69 Outline Dunkle Materie 1 Einleitung 2 Newton träge und schwere 3 Einstein bewegte und Ruhemasse 4 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss

70 Dunkle Materie Dunkle Materie Materie im Universum: Sterne, Galaxien, Planeten, Staub sichtbare Materie (Atome) Durchsichtige Materie (sendet kein Licht aus, absorbiert kein Licht) Dunkle Materie

71 Dunkle Materie Dunkle Materie Materie im Universum: Evidenz 1 für dunkle Materie: Galaxienbewegungen: stärkere Schwerkraft als aufgrund sichtbarer Materie

72 Dunkle Materie Dunkle Materie Materie im Universum: Evidenz 2 für dunkle Materie: Sichtbare Materie und Schwerkraft-Zentrum unterschiedlich

73 Dunkle Materie Dunkle Materie Materie im Universum: Evidenz 3 für dunkle Materie: nichtatomare Materie : atomare Materie = 23% : 5%

74 Dunkle Materie Dunkle Materie Offene Frage: Woraus besteht dunkle Materie? Mögliche Antwort: Aus nicht-atomaren Teilchen mit einer von ca. 100 GeV Diese könnte man am LHC oder an dunkle Materie-Suchexperimenten nachweisen!

75 Outline Schluss 1 Einleitung 2 Newton träge und schwere 3 Einstein bewegte und Ruhemasse 4 Higgs Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss

76 Schluss Zusammenfassung Newton: M T = M S =char. Eigenschaft von Objekten Einstein: E = M T c 2 = M S c 2, Ruhemasse=char. Eigenschaft von Objekten Heute: Ruhemasse=eine von drei fundamentalen char. Eigenschaften von Elementarteilchen die am wenigsten verstandene! Spontane Symmetriebrechung und Higgsfeld: vermutliche Ursache der n Ziel: Nachweis, Untersuchung des Higgsfeldes und der Higgs-Teilchen Dunkle Materie: unbekannte, nichtatomare Teilchen Ziel: Nachweis, Untersuchung dieser Teilchen

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