Hands on Particle Physics Masterclass. Oliver Grünberg

Transkript

1 Hands on Particle Physics Masterclass Oliver Grünberg 1

2 Fahrplan 1. Einführungsvortrag (45 Min.) 2. Diskussion & Pause (20 Min.) 3. Einführung in die Messungen (30 Min.) 4. Datenauswertung & Pause (75 Min.) 5. Ergebnisanalyse & Diskussion (15 Min.) 6. Abschlussquiz (20 Min.) 7. Vorstellung des Netzwerkes Teilchenwelt (10 Min.) 2

3 1. Teil EINFÜHRUNG IN DIE TEILCHENPHYSIK 3

4 Wozu Teilchenphysik? Klärung der Grundfragen der Physik Welche elementaren Teilchen gibt es? Welche Kräfte gibt es? Wie entstand unser Universums? Gibt es eine Weltformel? 4

5 Vom groß nach klein Auge Auflösung bis ca. 1mm Auflösung bis ca. 1µm = 0,001mm Lichtmikroskop. und weiter? 5

6 Wie sehen wir Strukturen? Sehen = Abbilden! Wir sehen nur ein Abbild des Objekts Objekt Lichtteilchen tasten Oberfläche des Objekts ab Lichtquelle Genauigkeit des Abbilds ist begrenzt durch Art der Lichtquelle Detektor 6

7 Auflösung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten Detektor Keine Auflösung der Punkte/Lücke falls Lichtteilchen > Struktur 7

8 Auflösung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten Detektor Kleine Strukturen kleine Lichtteilchen Größe der Lichtteilchen gegeben durch Wellenlänge λ Sichtbares Licht: λ= nm Auflösung somit stark begrenzt! 8

9 Neue Wege zur Untersuchung Benutze anderes Teilchen als Photon Quantenphysik sagt uns: h Planckkonstante p Impuls des Teilchens: p=m*v Teilchen mit hohem Impuls haben kleine Wellenlänge: Nutze schnelle Elektronen statt Photonen Elektronenmikroskop h p 9

10 Virus Siliziumkristalle 10

11 Entdeckung der Atomstruktur Rutherford Streuexperiment (1910) 0, m + Elektron + Atomkern 11

12 Entdeckung der Quarks Beschuss von Protonen mit schnellen Elektronen Streuung der Elektronen an Quarks Detektor 12

13 Grundlagen 1803: Elemente bestehen aus unteilbaren Einheiten (Atomen) 1910: Atome haben Kern und Schale 1935: Kern besteht aus Protonen & Neutronen 1960er: Protonen & Neutronen bestehen aus Quarks 13

14 Bewegungsgesetze Wir wissen jetzt woraus Materie besteht, aber wie verhält sie sich? Bsp: Ballistische Kurve beim Kugelstoßen Newtonsche Mechanik: F a m G M r a E 2 E m g y 14

15 Bewegungsgesetze Langsam ( v<<c ) Schnell ( v~c ) Groß Newtonsche Mechanik Einsteins Relativitätstheorie Klein Quantenmechanik Quantenfeldtheorie 1925: Quantenmechanik beschreibt zusammengesetze Systeme (Atome) 1928: Quantenelektrodynamik (QED) für energiereiche Teilchen 15

16 Ladungen und Kräfte Zu jeder Kraft gehört eine Ladung Teilchen tragen Ladungen Kräfte koppeln an die Ladung eines Teilchens Kräfte können abstoßend oder anziehend sein Kraftwirkung = Übertragung von Energie und Impuls durch Kraftteilchen Photon Elektron Elektron 16

17 Ladungen von Teilchen 4 fundamentale Wechselwirkungen 4 fundamentale Ladungen: 1. Farbladung Starke Wechselwirkung 2. el. Ladung Elektromagnetismus 3. Flavor Schwache Wechselwirkung 4. Energie, Masse Gravitationskraft Summe der Ladungen bleibt erhalten Ladungen beeinflussen sich nicht gegenseitig 17

18 Bsp.: die 3 Gesichter eines Quarks 18

19 Die elektromagnetische Kraft Eigenschaften Ladung: elektrische Ladung Q Kraftteilchen: Photon Empfänger: Quarks, Elektronen, Protonen Reichweite: R E, Stärke: Beispiele: Laser, Radiowellen, Röntgenbilder, chemische Bindungen S E 1 19

20 Die starke Kraft Eigenschaften Ladung: 3 Farbladungen - rot, grün, blau Kraftteilchen: Gluon Empfänger: Gluon, Quark, Proton, Neutron Reichweite: Stärke: R 15 S 10 m SS 20 S E Beispiele: stabile Atomkerne, Quarkbindung zu Proton: u d u Pion: d u 20

21 Die schwache Kraft Eigenschaften Ladung: Flavor Kraftteilchen: W±, Z0 Empfänger: Quarks, Leptonen Reichweite: Stärke: R 18 W 10 m SW 1/ 100 S E Beispiele: Beta-Zerfall von Neutron und Proton 21

22 Die Gravitation Ladung: Energie, Masse Kraftteilchen: Graviton(?) Stärke: Reichweite: 40 S G 10 S E R G Beispiele: Erdanziehung, Planetensysteme, Schwarze Löcher 22

23 Zusammenfassung Kräfte Kraft Rel. Stärke Kraftteilchen Masse Reichweite Starke Kraft 20 8 Gluonen 0 R 15 S 10 m EM-Kraft 1 Photon 0 Schwache Kraft 1/100 W±,Z0 80 bzw. 90 m(proton) R 18 S 10 m Gravitation Graviton 0 23

24 Quantenphysik & Relativität Energie-Masse Äquivalenz: E=mc² Genauer: Falls: p E mv ( mc ) 2 ( pc) 2 m 2 p 2 0 E mc Masse: unveränderlicher Teil der Gesamtenergie (Bsp. Kugel) E² = m² + p² E p m 24

25 Quantenphysik & Relativität Einheitenkonvention: Umrechnung von Impuls und Masse in Energieeinheiten: p~e/c und m~e/c² Bsp. m(γ)=0 MeV/c² m(e-) = 0.5 MeV/c² m(µ-) = 106 MeV/c² m(p+) = 938 MeV/c² m(z0) = MeV/c²= 91 GeV/c² 25

26 Feynman-Diagramme Darstellung der Wechselwirkungen Berechnungen anhand der Graphen möglich Bsp. W- Elektron-Elektron Streuung Myon-Antimyon Vernichtung Myon-Zerfall 26

27 Quantenphysik & Relativität Unschärferelation: kurze Zeiten, große Energien Virtuelle Teilchen können entstehen obwohl sehr schwer (Z0) E t J s Kein Problem da m(γ) = 0 Möglich obwohl m(z0) = 91GeV/c² > E(e+e-) Z0 ist virtuell (Geisterteilchen) 27

28 Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte Basis der Quantenfeldtheorie: starke Kraft (Atomkern) + schwache Kraft (Beta-Zerfall) + Elektromagnetismus (Licht, Radiowellen) Zerfälle und Wechselwirkungen berechenbar Standardmodell der Teilchenphysik (SM) 28

29 Offene Fragen 1. Problem: Wo kommt die Masse her? Higgs-Mechanismus Im SM sind alle Teilchen masselos WW des Higgs-Teilchen mit anderen Teilchen verleiht Masse Vakuum: Higgs-Teilchen alleine reelles Teilchen zieht HiggsT. an Teilchen wird massiv 29

30 Offene Fragen 2. Frage: Wie entstand unser Universum? 30

31 Offene Fragen 3. Frage: Gibt es eine Weltformel? Zusammenführen von Theorien schon teilweise gelungen! Elektrostatik Magnetostatik Elektrodynamik QED Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Gravitation Elektroschwache Wechselwirkung 2010 Große Vereinheitlichung Weltformel Theory of Everything 31

32 Offene Fragen 4. Haben Quarks Unterstrukturen? 5. Weitere Elementarteilchen? 6. Dunkle Materie / Dunkle Energie? 7. Weitere Dimensionen? es gibt noch viel zu tun! 32

33 2.Teil MESSUNG DES Z0-ZERFALLS 33

34 Das Z0-Boson 1960er: Vorhersage in der Theorie der elektroschwachen Kraft 1983: direkter Nachweis am CERN Eigenschaften: Masse = 91,2 MeV/c² 97 H-Atome Elektrisch neutral 1, s Lebensdauer: Gehorcht der schwachen WW und Gravitation 34

35 Bedeutung des Z0 Zentrale Frage: Wieviele Teilchen -Generationen gibt es? Besonderheit des Z0: Es zerfällt nur in Teilchen einer Familie! 35

36 Lebensdauer und Zerfallsbreite Die Lebensdauer eines Teilchens ist anhängig von der Zahl der möglichen Zerfälle: ~1/ n 1 N Z0 3 N Z 0 ( t) ~ e t / 2 Zerfallsgesetz (siehe Radioaktivität) Problem: Lebensdauer von nicht messbar! 1, s 36

37 Zerfallsbreite des Z0 Unschärferelation: Energiebreite gut messbar: E / 2, 5GeV E ~ n Breite gibt Aufschluss über Zahl der Familien = Zahl der Neutrinos 37

38 Zerfallswahrscheinlichkeit Heute: Messe die Zerfallswahrscheinlichkeiten des Z0 Definition: P( Z0 xx) N N xx Z 0 Betrachte 4 Zerfallsmöglichkeiten: 1. Z0 e+ e- 2. Z0 µ+ µ- 3. Z0 τ+ τ- 4. Z0 quark anti-quark 38

39 Backup 39

40 Der Teilchenzoo 40

41 Lebensdauer und Zerfallsbreite 1. Schwere Teilchen zerfallen immer in leichtere, wenn möglich! 2. Der Zerfall eines Teilchens ist ein statistischer Prozess! Manche Z0 leben länger als andere N 0 Zerfallsgesetz: N N 0 e t / 37% N 0 0 t 41

42 Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Klassisch 42

43 Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Modern 43

44 Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: h p auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Modern 44

45 Streuversuche 45