verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält

Transkript

1 Elementarteilchenphysik II RWTH WS 2007/08 Thomas Hebbeker Markus Merschmeyer, Arnd Meyer verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält... und die Evolution des Universums Wiederholung Grundlagen Elementarteilchenphysik I Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Astroteilchenphysik / Kosmologie V

2 Inhalt Wiederholung Grundlagen Elementarteilchenphysik I Materieteilchen und Wechselwirkungen Detektoren und Beschleuniger Symmetrien und Erhaltungssätze Eichtheorien Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Astroteilchenphysik / Kosmologie

3 Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems 14 2 Neutrino 0 < 2 ev (Sonne Erde: 6 10 / m / s ) Elektron MeV up-quark 2/3 5 MeV down-quark -1/3 10 MeV (nicht direkt beobachtbar) (3 Farb -Varianten) Kerne: Proton (938 MeV) = u u d, (Neutron), He, Li,..., Mesonen = q q Elementarteilchen mit Spin ½ (Fermionen) ~ 10 elementar: punktförmig/keine innere Struktur (heutige Messgenauigkeit ) 18 m Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung: ν ν e e + u u...

4 Quarks im Nukleon (Fusion zu Deuteron) Die 4 Kräfte/Wechselwirkungen erfahrbar: a) Bindungsphänomene b) Dynamik: Streuprozesse, Zerfälle Gravitation: vernachlässigbar im Mikrokosmos Elektromagnetische WW: e + p e + a) Atom b) (elast. Streuung) p Schwache WW: a) - b) d u eν ( n p eν ) Starke WW: (Beta-Zerfall) a) Nukleonen im Kern b) p + n d

5 Stärke und Reichweite der Kräfte Zu schwach für direkte Messungen

6 Das Standardmodell der Teilchenphysik Materie: Spin ½ - Fermionen: Leptonen: viele Teilchen instabil! Quarks: Wechselwirkungen: Spin 1 Eichbosonen: elektroschwach: stark: Photon γ masselos Z-Boson Z 91 GeV W-Boson W + W - 80 GeV Gluon g masselos Experimentelle Daten werden akkurat beschrieben! (10 18 m )

7 Nobelpreise: Die fundamentalen Fermionen 1995 Reines 1988 Steinberger et al 1995 Perl 2 ev 2 ev 2 ev 1990 Friedmann et al 1976 Richter, Ting 2002 Davis, Koshiba

8 Fermilab, 1995 Entdeckung des top-quarks CDF, D0! p p 1800 GeV m ± 1. 9GeV = (Okt 2007)

9 Baryonen Mesonen Hadronen = Quarkbindungszustände

10 Hadronen im Quarkmodell SU(3)-Flavorsymmterie Mesonen Baryonen

11 Beschreibung der Wechselwirkungen Feynman-Diagramme: Beispiele: Elastische Elektron-Quark-Streuung (elm. WW): Visualisierung und Berechnung von Wahrscheinlichkeiten t Photon = `virtuell! Kräfte: Austauschteilchen mit Spin 1 (Bosonen) Erzeugung eines Quark-Antiquark-Paares in der e + e -Annihilation (elm.ww) Photon = `virtuell!

12 Die Wechselwirkungen im Mikrokosmos `Vertex : Kopplungsstärke g (z.b. el. Ladung) Bosonmasse M: Reichweite Elektroschwache WW: Nobelpreise 1979, 1999 Glashow, Salam, Weinberg t Hooft, Veltman Boson Photon g W-Boson Z-Boson Gluon g WW elm. schwach schwach stark M Arten Farbkomb. 25 τ s s g ~ 0.1 ~ 0.1 ~ 0.1 ~ 0.3 Wahrscheinlichkeit R ~ fm ~ fm ~ 1 fm! Partner Gel. Teilchen alle alle Quarks

13 Methoden der experimentellen Teilchenphysik Werkzeuge: N & = Lσ Teilchenbeschleuniger Teilchendetektoren Unschärferelation: Δx 1/ Studium der Kräfte bei hohen Energien: (Big Bang!) E Neue schwere Teilchen (Masse m): 200 MeV 1 f HOHE ENERGIE!

14 Wechselwirkung von (gel.) Teilchen mit Materie E E ΔE

15 Jeder Teilchennachweis via elektromagnetische Wechselwirkung! Teilchendetektoren Spurdetektoren: Geladene Teilchen werden im Magnetfeld abgelenkt. Ionisation des Gases. Elektronen bewegen sich im elektrischen Feld zum Draht. Ortsauflösung ~ 0.1 mm Aus Krümmung folgt Impuls Kalorimeter: In Materie enstehen Sekundärteilchen, die das Material anregen. Das entstehende Licht wird nachgewiesen und ist ein Maß für die Energie. Energieauflösung ~ Prozent Nobelpreis 1992 Charpak

16 Universaldetektoren Nachweisbar: langlebige Teilchen mit elm. und/oder starker Wechselwirkung Viele Teilchen sind kurzlebig Nachweis nur über ihre Zerfallsprodukte

17 CMS Detektor Tonnen 80 Mio Detektorelemente 1000 Teilchen 40 Millionen mal pro Sekunde μ Myon Supraleitende Magnetspule CERN Magnetfeld 4 T 15 m Myon Magneteisen Querschnitt im Aufbau 2006

18 Teilchenkollisionen Teilchensorten: p, e und Antiteilchen s = 2mE Kerne s = 4E 2 ρ = 3.3m p / GeV B / T

19 Grosse Teilchenbeschleuniger LHC Strahlenergie 7 TeV Supraleitende Magnete 8T 2K 14m

20 Drehimpulserhaltung > Kombination von Drehimpulsen Clebsch-Gordon

21 Schwache WW Symmetrieverletzungen: P, C

22 Freies Teilchen: Eichtheorien Beispiel QED + lokale Eichinvarianz unter Phasentransformation U(1):

23 Inhalt Wiederholung Grundlagen Elementarteilchenphysik I Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Elektromagnetische Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Higgs Oszillationsphänomene Neue Teilchen Astroteilchenphysik / Kosmologie

24 Elektromagnetische Wechselwirkung Bindungszustand: H-Atom: erlaubt: Erhaltungssätze: Ladung (immer), Teilchensorte (elm. WW) verboten:

25 Feynman-Regeln QED

26 Berechnung elektromagnetischer Prozesse

27 Starke Wechselwirkung Isolierte Quarks gibt es nicht! Beobachtbar sind nur farbneutrale Kombinationen Meson = q q Baryon = q q q Bindungszustand: Gluon = Farbe+Antifarbe Zerfall: Starke WW: Nobelpreis 2004: Gross, Politzer, Wilczek Erhaltungssätze: Quarksorte, Farbe

28 nichtabelsch! SU(3)-Farbsymmetrie Quantenchromodynamik

29 Nukleonstruktur

30 Schwache Wechselwirkung Kollisionsereignisse: Zerfälle: W-Austausch: Teilchenart ist NICHT erhalten!

31 Symmetrieverletzungen (schwache WW) Spiegelsymmetrie P Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie C verletzt! (1957) verletzt! T A aber: Kombination C P : ok! (linkshändiges T rechtshändiges A) Seit 1964: Experimente: Auch CP ist (schwach) verletzt! 0 B J / ψ 0 B J / ψ K s K s

32 Schwache Wechselwirkung SU(2)xU(1) Eichtheorie =A nichtabelsch Eichbosonen: U(1) : B SU(2) : W 1, W 2, W 3 P-Verletzung! (linkshändig) ± m Mischung

33 Experiment: Das Higgs-Boson M M W Z = ± ± = ± ABER: Theorie verlangt: Alle Teilchen sind masselos! Ausweg: zusätzliches Teilchen: Higgs neutral, Spin-0, instabil, (nur) Masse unbekannt bisher experimentell nicht gefunden: M > 115 GeV

34 Das Higgs-Boson M M W Z ± = ± Messung = ± =0.8812± Rechnung zusätzliches Teilchen: Higgs neutral, Spin-0, instabil, (nur) Masse unbekannt Standardmodell-Theorie (mit Higgs) funktioniert hervorragend!

35 Higgs Entdeckung? 150 GeV CMS

36 Mesonoszillationen Umwandlungen zwischen Teilchen sind erlaubt, wenn sie nicht verboten sind! kurzlebig, etwas leichter langlebig Zerfall 0 K 50% K s + 50% K l = 1% Ks + 99% Kl ~ 50% K0 + 50% K0 Oszillation= Interferenz

37 Neutrino-Oszillationen! M. Koshiba et al. Erdatmosphäre: Nachweis: ν μ + e μ Cerenkov Ergebnis: p + A π ν μ μ zu wenige, da ν ν μ τ Super- Kamiokande

38 Supersymmetrie Materieteilchen: Spin ½ Austauschteilchen: Spin 1 Postulat: Es gibt eine Supersymmetrie zwischen Fermionen und Bosonen: Zu jedem Teilchen existiert Partner mit Spindifferenz ½ Beispiele: Experimentelle Massengrenzen: > 50 GeV Verbindung zur Astrophysik: Photino-Variante ( Neutralino ) = Dunkle Materie?

39 Inhalt Wiederholung Grundlagen Elementarteilchenphysik I Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Astroteilchenphysik / Kosmologie Teilchen aus dem Weltall Prozesse im frühen, heissen Universum Evolution des Kosmos

40 Teilchenphysik und Astrophysik Zusammensetzung Universum

41 Neutrinos aus Supernova SN 1987A (Magellansche Wolke)! e + ν e + ν + γ HST 1996 Kamiokande

42 Höchstenergetische geladene Strahlung aus dem Weltall Energie bis 100,000,000,000 GeV! Herkunft E/eV AUGER 50 km

43 Teilchenphysik und Kosmologie Dunkle Materie = Neutralino? (Supersymmetrie) Teilchenbeschleuniger untersuchen Prozesse s nach dem Urknall Materie- Antimaterie- Asymmetrie?

44 Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Kosmos Kann die im Labor gefundene kleine T-A-Asymmetrie dies erklären???... wahrscheinlich nicht... gleich viele Teilchen und Antiteilchen fast nur noch Teilchen + Photonen 1) gleich viele T und A 2) Symmetrie wird gebrochen : pro A gibt es T 3) Paare zerstrahlen in Photonen, 1 T bleibt übrig???

45 Neutrinos aus dem Urknall Inhalt: 3 35cm cm Zusammensetzung pro : 3 55 ν + 55ν e e 55 ν + 55ν μ μ 55 ν + 55ν τ τ Filmdöschen Kinetische Energie: ~ eV

46 In jedem Szenarium: Urknall! Kollaps Entwicklung des Universums? Hat Einstein Recht? Beschleunigte Expansion Z e i t

47 Elementarteilchenphysik II

48 Harris/Grupen Durch unsere Körper strömen in jeder Sekunde viele Milliarden Neutrinos, und wir machen uns Gedanken über die Benzinpreise?