Kosmologie und Teilchenphysik

Transkript

1 Die Welt im Großen und Kleinen Kosmologie und Teilchenphysik Prof. Dr. Michael Feindt Prof. Dr. Thomas Mannel

2 Die Welt im Großen

3 Die Welt im Großen Rosen ,001 m 1m km

4 Die Welt im Großen Rosenbeet auf dem CERN- Gelände ,01 m 10 m km

5 Die Welt im Großen Luftaufnahme CERN ,1 m km 100 m

6 Die Welt im Großen Luftaufnahme CERN m km m

7 Die Welt im Großen Flughafen Luftaufnahme Genf m km m

8 Die Welt im Großen Genfer See und französische Alpen m km m

9 Die Welt im Großen Europa m km m

10 Die Welt im Großen Erde m km m

11 Die Welt im Großen Erde Erde 10 8 m km m

12 Mondbahn Die Welt im Großen Erde Umlaufbahn des Mondes Länge der Mondbahn: 2,4 2,4 Mio. km Höhe der deutschen Staatsverschuldung als als Turm von 1 -Münzen: 3,2 3,2 Mio. km 10 9 m 1 Millionen km m

13 Erdbahn Die Welt im Großen Mondbahn Umlaufbahn des Mondes m 10 Millionen km m

14 Die Welt Erdbahn im Großen Innere Planetenbahnen des Sonnensystems Venus-Bahn m 100 Millionen km m

15 Jupiter Die Welt im Großen Mars Sonne Erdbahn Innere Planetenbahnen des Sonnensystems m 1 Milliarde km m

16 Pluto Neptun Uranus Erde Die Welt im Großen Äußere Planetenbahnen des Sonnensystems m 10 Milliarden km m

17 Die Welt im Großen Äußere Planetenbahnen der Sonne m 100 Milliarden km m

18 Die Welt im Großen Entfernung zum nächsten Fixstern Alpha Centauri Faktor m 4.3 Lichtjahre m

19 Die Welt im Großen Entfernung zum nächsten Sternenhaufen M4 Faktor m 7000 Lichtjahre m 19

20 Die Welt im Großen Spiralgalaxie m Lichtjahre m

21 Die Welt im Großen Galaxie mit Satellitengalaxien Millionen m Lichtjahre m

22 Die Welt im Großen Galaxienhaufen Millionen m Lichtjahre m

23 Die Welt im Großen Struktur in Verteilung der Galaxien: Blasen und Löcher Faktor Milliarde m Lichtjahre m

24 Die Welt im Großen Homogenes Universum Milliarden m Lichtjahre m

25 Die Welt im Kleinen

26 Die Welt im Kleinen Rosen ,001 m 1 m km

27 Die Welt im Kleinen Rosenblatt 10-1 m 1dm 0.1m

28 Die Welt im Kleinen Fliege 10-2 m 1cm 0. 01m

29 Die Welt im Kleinen Fliegenauge 10-3 m 1 mm m

30 Die Welt im Kleinen Fliegenauge 10-4 m 100 µ m m

31 Die Welt im Kleinen Detail im Fliegenauge 10-5 m 10 µ m m

32 Die Welt im Kleinen Elektronen- mikroskop- Aufnahme m 1 µ m m

33 Die Welt im Kleinen Elektronen- mikroskop- Aufnahme m 100 nm m

34 Die Welt im Kleinen DNS-Molekül m 10 nm m

35 Die Welt im Kleinen Molekül m 1 nm m

36 Die Welt im Kleinen Atome bestehen aus Kern und Elektronenhülle m 0.1 nm m

37 Die Welt im Kleinen Atome sind fast leer, der Kern ist sehr klein m 10 pm m

38 Die Welt im Kleinen Atome sind fast leer, der Kern ist sehr klein m 1 pm m

39 Die Welt im Kleinen Radius des Kerns nur ca. 1/ der innersten Elektronenbahn m 100 fm m

40 Die Welt im Kleinen Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen m 10 fm m

41 Die Welt im Kleinen Proton/Neutron bestehen aus Quarks fm m m

42 Die Welt im Kleinen Punktförmige Quarks und Leptonen m 0.1 fm m

43 Die Welt im Kleinen Punktförmige Quarks und Leptonen m 0.01 fm m

44 Die Welt im Kleinen Punktförmige Quarks und Leptonen m fm m

45 Die Welt im Kleinen? Quarks und Leptonen wirklich gar keine Ausdehnung? m fm m

46 Galaxie Wie wir Objekte unterschiedlicher Größ öße e sehen Zelle Atom Atomkern Elektronen- mikroskop Beschleuniger

47 Gravitation Schwerkraft, Erdanziehung Bewegung des Mondes um die Erde Bewegung der Planeten um die Sonne Sterne und Galaxien Galaxien und Galaxienhaufen Universum

48 Erste Theorie: Isaac Newton

49 Allgemeine Relativitätstheorie tstheorie

50 Keine Krümmung Positive Krümmung Negative Krümmung

51 Massen deformieren den Raum

52 Probemasse im Gravitationsfeld

53 Schwarzes Loch

54 Expansion des Universums

55 REVERSE Zurück zum Urknall

56 Der Nachhall des Urknalls Kosmische Hintergrundstrahlung: extrem homogen Cobe-Satellit

57 Zurück zur bekannteren Welt...

58 Elektromagnetismus Blitze Elektrische Ladungen, elektrischer Strom Magnetismus Chemische Bindungen, Moleküle und Festkörper Bindung von Atomen

59 Kristall Elektromagnetische Bindungen Atome

60 Struktur der Atome Rutherford - Streuexperiment Verknüpfung mit rutherford12.lnk Es gibt einen kleinen harten Kern im Atom Das Atom ist im wesentlichen leer!

61 Bohrsches Atommodell H-Atom 99, % des Atoms ist leer!

62 Quantenmechanisches Atom Heisenbergsche Unschärferelation 1 x p h 2

63 Atomkern Proton Neutron

64 Starke Wechselwirkung Atom- und Wasserstoffbombe Energieerzeugung in der Sonne (Solarenergie=Kernfusion) Energieerzeugung durch Kernspaltung und Kernfusion Zusammenhalt der Kerne Zusammenhalt der Quarks in Protonen und Neutronen

65 Atomkern Proton 3 Quarks

66 Schwache Wechselwirkung Kernreaktionen in der Sonne Radioaktiver Kernzerfall Umwandlung von chemischen Elementen (Alchemie) Zerfall des Neutrons Übergänge zwischen verschiedenen Quark-Sorten

67 Elementare Bestandteile der Materie 1900

68 Elementare Bestandteile der Materie 2000 Quarks: up down Leptonen: charm strange top bottom Bausteine der Materie des heutigen Universums e Elektron Neutrino µ Myon Neutrino τ Tau Neutrino

69 Punktförmig, ohne jegliche Ausdehnung! Radius(Elektron) < m

70 Untersuchung der Quarks und Leptonen Starkes Mikroskop = Streuexperiment bei hohen Energien große e Teilchenbeschleuniger

71 Zwei-Meilen Meilen-Linearbeschleuniger SLAC Stanford USA

72 Deutsches Elektronen-Synchrotron Hadron-Elektron Ring-Anlage HERA DESY Hamburg

73 Feynman-Diagramm für r Streuprozesse k k g + µ ν µν M 2 A = ( ie) 2 u(p ) γ u(p ) u(p ') γ u(p ') 1 µ k 2 M 2 ν

74 Teilchen Antiteilchen Energie Licht (Photon)

75 E m c 2 Originalton Einstein

76 E m c 2 Aus der speziellen Relativitätstheorie folgt, daß Masse und Energie beides nur verschiedene Erscheinungsformen derselben Sache sind - - eine etwas ungewöhnliche Betrachtungsweise für einen durchschnittlichen Geist.

77 E m c 2 Weiterhin zeigt die Gleichung E gleich m mal c-quadrat, in der Energie mit Masse, multipliziert mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit, gleichgesetzt wird, daß eine sehr kleine Menge Masse in eine sehr große Menge Energie umgewandelt werden kann und umgekehrt.

78 E m c 2 Masse und Energie sind sogar äquivalent nach der obengenannten Formel. Dies wurde von Cockcroft und Walton 1932 experimentell demonstriert. From the soundtrack of the film, Atomic Physics copyright J. Arthur Rank Organization, Ltd., 1948

79 Annihilation Feynman-Diagramm

80 Der LEP - Speicherring am CERN

81 Das Forschungslabor CERN bei Genf

82 Blick in den Tunnel: 27 km Magnete und Kavitäten ten

83 Magneten von LEP

84 Supraleitende Beschleunigungsstrecke für r LEP II

85 Zugang zum DELPHI-Experiment Experiment

86 100 Meter tiefer: DELPHI

87 DELPHI Endplatte

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91 Entdeckung neuer Teilchen Rutherford entdeckt den Atomkern

92 Fundamentale Wechselwirkungen Gravitation: Allg. Relativitätstherorie tstherorie, Graviton?? String-Theorie? Elektromagnetismus: Photon Starke Wechselwirkung: Gluonen Schwache Wechselwirkung: W und Z-Bosonen

93 Historie des Universums Komplexe Struktur, Symmetrien teilweise aufgehoben Einfache Struktur, Symmetrien gültig

94 Der Kreis schließt t sich: Die Rolle der Elementarteilchen im frühen Universum Stufenweise Strukturbildung durch Abkühlung und anziehende Wechselwirkungen

95 Expansion des Universums: Abkühlung Volumen => Temperatur => Geschwindigkeit

96 Hohe Geschwindigkeit: Streuung, aber keine Bindung Kleine Geschwindigkeit: Einfang, Bindung

97 1. Schritt: 3 Mikrosekunden nach Null Quarks und Gluonen bilden Hadronen (Protonen, Neutronen, etc) (starke WW)

98 2. Schritt: Sekunden nach Null Protonen und Neutronen bilden leichte Kerne (starke WW)

99 3. Schritt: ca Jahre nach Null Kerne fangen Elektronen ein und bilden Atome (elektromagnetische WW)

100 4. Schritt: Atome bilden Sterne (Gravitation)

101 Dank an Tobias Dussa Jens Rehn Hartmut Stadie Patrick Schemitz CERN www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~feindt