Max Camenzind Senioren Uni Würzburg Mai 2014

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1 Max Camenzind Senioren Uni Würzburg Mai 2014

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3 Atomkerne sind auch nicht elementar Der Atomkern ist ca mal kleiner als die Elektronenhülle ~ Fermi fm = m. Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen wie ein Flüssigkeitstropfen. Neutronen sind etwas schwerer als Protonen. Einsteins Sezielle Relativitätstheorie erklärt den Massendefekt von Atomkernen Bindungsenergie trägt negativ zur Masse bei. In Beschleunigern wird dauernd Energie in Masse umgewandelt und umgekehrt. De Broglie vereinigt Quantenmechanik und Relativität: l = h/p.

4 Inhalt Teilchenzoo Situation um 1932: Sind Proton und Neutron elementar? Nein: es folgten Pi- und Mu-Mesonen etc. Schwache und starke Wechselwirkung. 1961: Aufteilung der Welt in Hadronen, Leptonen und Wechselwirkungsteilchen. 1964: Murray Gell-Mann Quark-Hypothese. Heute: 200 Mesonen und ~150 Baryonen und 6 verschiedene Quarks in 3 Familien.

5 Situation um 1932 Im Jahr 1932 waren nur das Proton, das Neutron, das Elektron und das Photon bekannt. Man glaubte, damit die elementaren Bausteine der Materie gefunden zu haben. Doch dann fand man immer neue Teilchen, meist erzeugt durch die kosmischen Höhenstrahlung: Neutrinos, Myonen, Pionen und viele andere. Bis auf die Neutrinos sind alle diese Teilchen sehr kurzlebig und zerfallen in leichtere Teilchen. Die einzigen stabilen Teilchen sind das Proton, das Elektron und die drei nahezu masselosen Neutrinos, die man Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino nennt. Dazu kommen noch die jeweiligen Antiteilchen sowie das Photon. Das freie Neutron ist nicht stabil (es ist nur in den Atomkernen stabil, die eine genügend große Bindungsenergie aufweisen).

6 : Pi-Mesonen Beispiel für eine Zerfallskaskade: Ein elektrisch negativ geladenes Pion zerfällt bevorzugt in ein negativ geladenes Myon und ein Myon- Antineutrino. Das Myon zerfällt weiter in ein Elektron, ein Elektron- Antineutrino und ein Myon-Neutrino. Zerfallszeit p: 26 Picosec. Zerfallszeit p 0 2g: 80 Attosec. Masse des Pions: 140 MeV/c².

7 Mu-Meson und sein Neutrino

8 Erzeugung in Höhenstrahlung 85% Protonen

9 Kosmische Schauer

10 Entdeckung seltsamer (strange) Teilchen Warum werden diese Teilchen seltsam genannt? große Wirkungsquerschnitte (10-27 cm 2 ) Lange Lebensdauer (entsprechend wie bei s ~ cm 2 ) Entsteht als Nebenprodukt π Production: π - p K 0 Λ 0 Neue Quantenzahl: Strangeness S Bleibt erhalten in starker Wechselwirkung, ΔS=0 Nicht erhalten in individuellem Zerfall, ΔS=1 π K Λ π π p Decay: K 0 π - π + Λ 0 π - p

11 Teilchen bis 1964

12 Ab 1962 Teilchenbeschleuniger Der S-Dalinac-Teilchenbeschleuniger. Bild: TU Darmstadt

13 1962 erbaut 20 GeV 3 Nobelpreise: 1976: Charm Quark 1990: Struktur des Protons 1995: Tau-Lepton (1,77 GeV/c²) Elektronen werden auf 50 GeV beschleunigt

14 DESY Hamburg 1964,76,84 Nachweis der Gluonen

15 Nobelpreise: 1962: Neutrino-Beam 1984: W und Z Boson im LEP 2013: verpasst?

16 Geschichte des LEP und Strahlenergie 1988: July 12: Octant test 1989: July 14, First turn (15 minutes ahead of schedule!) August 13, First Collisions Aug13--Aug 18: Physics pilot run Aug 21--Sept 11: Machine Studies Sept 20-- Nov 5 Physics : Z Physik 1995: Z + 65 & 70 GeV 1996: GeV 1997: GeV 1998: 94.5 GeV 1999: GeV 2000: GeV S. Myers, Twelve years of beam in LEP,..., LEP Fest 2000,CERN,(OUT ppt), October Exciting period, But usually not very productive

17 LEP Performance Year int L Eb kb 2 kb Ib Peak Lumi x y (pb-1) (GeV) (ma) (10^30 cm-2 s-1) / to 70 8/ to to to S. Myers, Twelve years of beam in LEP,..., LEP Fest 2000,CERN,(OUT ppt), October 2000.

18 TGV induziert Ströme im LEP Vakuum S. Myers, Twelve years of beam in LEP,..., LEP Fest 2000,CERN,(OUT ppt), October 2000.

19 Large Hadronen Collider LHC wurde im LEP-Tunnel errichtet 19

20 7 Jahre Konstruktion um LEP zu ersetzen: LEP: e + e - Collider 4 Experimente max. Energie 104 GeV Tunnelumfang: 26,7 km CMS Im gleichen Tunnel wird LHC errichtet LHC : Proton-Proton & Ion-Ion Collider; 4+ Experimente Energie 7 TeV ALICE ATLAS LHCB

21 Die LHC Dipole technol. Wunder

22 Ferromagnetic iron Non-magnetic collars Superconducting coil Beam tube Steel cylinder for Helium Insulation vacuum Vacuum tank Supports Gewicht (Magnet + Kryostat) ~ 30 Tonnen, Länge = 15 m Rüdiger Schmidt 23

23 Beschleuniger nur möglich dank Einstein Energie Trägheit der Protonen nicht in die Geschwindigkeit!

24 Detektor CMS - Längsschnitt

25 Querschnitt des CMS Detektors

26 4p-Detektoren an Collidern, zylindersymmetrisch ATLAS Länge: 46 m Höhe: 24 m Gewicht: 7000 t elektr. Kanäle: 10 8

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28 Energie materialisiert in Teilchen

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30 Higgs-Zerfall in 2 Elektronen & 2 µ

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32 Die restlichen 3 Quarks Charm (74), Bottom (77) & Top (95) Sam Ting (the J in J/Psi) Luciano Maiani, predicted charm to avoid flavour changing currents Leon Ledermann Ups-Leon Makoto Kobayashi, pred. bottom for CP violation Toshihide Maskawa pred. bottom for CP violation

33 Top Produktion am Tevatron

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35 Konzepte und Entdeckungen Golden Era

36 Ordnung in den Teilchenzoo Elektrische Ladung, Spin & Wechselwirkung

37 Welt: Hadronen & Leptonen Hadronen spüren die starke Wechselwirkung (starke Kernkraft). Es gibt sehr viele Hadronen, wobei alle ganzzahligen Ladungswerte zwischen - 2 und +2 Elementarladungen sowie alle halb- und ganzzahligen Spinwerte von 0 bis 3/2 auftreten. Hadronen mit ganzzahligem Spin (0 oder 1) nennen wir Mesonen, solche mit halbzahligem Spin (1/2 oder 3/2) Baryonen, zu denen auch Protonen und Neutronen gehören.

38 Baryonen und Mesonen gruppieren sich in ähnlichen Massen Massenmultipletts Gell-Mann macht dafür den starken Isospin verantwortlich: Hadronen mit gleicher Masse bilden ein Isospin- Multiplett: 0, ½, 1

39 Protonen und Neutronen Isospin Proton und Neutron verhalten sich identisch unter starker Wechselwirkung. Proton m p = 938,272 MeV Neutron m n = 939,565 MeV Neue Quantenzahl: Isospin Proton und Neutron? Nucleon + innerer Freiheitsgrad um die beiden zu unterscheiden Isospin

40 Klassifikation der Zustände mit Isospin Isospin ist qm wie Spin oder Drehimpuls I z = +1/2 I z = -1/2 I z = +1 I z = 0 I z = -1 I z = +3/2 I z = +1/2 I z = -1/2 I z = -3/2 Proton Neutron m p ~ 939 MeV/c² π + π 0 π - m π ~ 140 MeV/c² Δ ++ Δ + Δ 0 Δ - m Δ ~ 1232 MeV/c²

41 Quantenzahlen Starke Isospin I Seltsamkeit S Hyperladung Y Y := B + S Y=B+S+C+B +T Gell-Mann- Nishijima 1960: Q = Y/2 + I 3

42 In den 60er Jahren konnten alle damals bekannten Teilchen durch Isospin-Multipletts I = 0, ½, 1, 3/2 und die Hyperladung Y = B + S klassifiziert werden, S = Strangeness. Baryonen: B = +1; Anti-Baryonen: B = -1; Mesonen: B = 0. Teilchen eines Isospin-Multipletts haben fast identische Massen, siehe (p,n) oder p-mesonen. Elektrische Ladung Q = I 3 + Y/2.

43 Murray Gell-Mann - * 1929 NY 1961 Eightfold Way

44 Geboren 15. September 1929 in lower Manhattan; Galt als Wunderkind; Trat in Yale ein im Alter von 15 als Mitglied des Jonathan Edwards College wurde einer der bekanntesten Amerikanischen Physiker und Linguisten; Erhielt 1969 den Nobel- Preis in Physik; Seit 1956 Robert Andrews Milikan Professur für Theoretische Physik und 1993 Emeritus am CalTech.

45 8-facher Weg Baryonen-Oktett 2 Quantenzahlen: Isospin T & Hyperladung Y Klassifikation der Teilchen nach Gell-Mann Baryon-Oktett Dublett Y = B + S Q = Y/2 + T 3 Triplett Dublett

46 Die acht Speichen des Dharmachakra symbolisieren den Achtfachen Pfad (Jokhang-Tempel) inspirierte Gell-Mann.

47 Achtfacher Weg Buddhismus inspirierte Gell-Mann

48 8-facher Weg Spin-0 Mesonen Mesonen Oktett Y T 3

49 Baryonen Dekuplett s=3/2 Quartett Triplett Dublett Singlett Gell-Mann und Zweig sagten die Existenz und Eigenschaften des Ω - voraus!

50 W - - The Eightfold Masterpiece single event discovery Brookhaven National Laboratory

51 Vektor-Mesonen-Oktett

52 Achtfacher Weg - Hadronen-Klassen Spin-0 Spin-1/2 Spin-1 Spin-3/2

53 Was ist eine Symmetrie? Symmetrien Transformationsgruppen Dreieck Drehung Dreieck R.P. Feynman: Ein Objekt heißt symmetrisch, wenn man mit ihm etwas anstellen kann, ohne es am Ende, wenn man fertig ist mit der Prozedur, geändert zu haben.

54 Was ist Invarianz? eine Eigenschaft (hier Länge des Stabs) eines Objektes, die bei verschiedener Betrachtung (Rotation) unverändert bleibt.

55 Idee der Hadronen-Symmetrie Hadronen bilden SU(2)-Multipletts Lagrange-Dichte global invariant

56 SU(2) ist eine innere Symmetrie-Gruppe Lässt Lagrange- Dichte invariant.

57 SU(N) : Drehung als innere Symmetrie Teilchen in N Variationen 1, 2,, N ψ 1 1,,N innere Ladungsquantenzahl ψ N ψ 2 U bleibt normiert ψ 3 Lagrange-Dichte invariant ψ 9 SU(N) ψ 4 ψ 5 U Drehung stetig mit 1 verbunden (keine Spiegelung ) ψ 8 ψ 7 ψ 6

58 Realisierung Gruppe SU(3): (p,q) = (3,2) Y T 3 Schritte p und q Symmetrie SU(3): Isospin SU(2) & Hyperladung U(1) in SU(3) enthalten

59 Fundamental- Darstellung der SU(3) Triplett? 3 (1,0) p, q q, p 3 (0,1)

60 Murray Gell-Mann 1963 Quark-Hypothese Aufgrund dieser und weiterer Fakten stellten Gell- Mann, Zweig und andere im Jahre 1964 die Hypothese auf, dass alle Hadronen aus nur wenigen Bausteinen aufgebaut seien, den sogenannten Quarks. Das Proton besteht dann aus zwei sogenannten up-quarks (Ladung +2/3) und einem down-quark (Ladung -1/3). Bis auf den heutigen Tag ist es nicht gelungen, auch nur ein einziges Quark als freies Teilchen in einem Detektor nachzuweisen, und man glaubt heute, dass dies nicht möglich ist (sog. Confinement). Dennoch lassen sich Quarks im Inneren der Hadronen konkret nachweisen, beispielsweise durch Beschuss mit hochenergetischen Elektronen (wie im Rutherford-Experiment SLAC, HERA).

61 Quark Triplett Baryonen bestehen aus drei Quarks d Y 1 3 Gell-Mann 1964: Q = t 3 + Y/2 u t s

62 Murray Gell-Mann Quark-Modell SU(3) Triplett & Anti- Triplett SU(3)-Darstellungen: 3 x 3 x 3 = x 3 = Q = Y/2 + T 3

63 Murray Gell-Mann Quarks Quark-Modell

64 Eigenschaften aller Quarks

65 Was sind Quark-Flavours? Man bezeichnet up, down usw. als den Flavour des Quarks. Die jeweils oben eingetragenen Quarks tragen die Ladung +2/3 (bzw. 2/3 für die entsprechenden Antiquarks), die unteren die Ladung 1/3 (bzw. +1/3 bei den Antiquarks). Obwohl die Ladung der Quarks drittelzahlig ist, tragen alle heute bekannten Hadronen ganzzahlige Ladungen. Wie sich herausstellt, bestehen alle Baryonen aus drei Quarks oder drei Antiquarks, alle Mesonen dagegen aus einem Quark und einem Antiquark. Dadurch ist die Ganzzahligkeit der Hadronenladung gesichert.

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67 Baryonen-Oktett im Quark-Modell

68 Baryonen Dekuplett

69 Spin-0 Mesonen-Oktett

70 Mesonen mit Charm C SU(4) C = +1 C = 0 C = -1

71 Baryonen mit Charm C SU(4)

72 Baryonen mit Charm C SU(4)

73 Baryonen mit Bottomnes B

74 Mesonen mit Bottomness

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77 Konstituenten Quark-Massen Nackte Masse Impulsübertrag

78 Quark-Massen Die sog. nackten (bare) Quark-Massen. Quarks sind jedoch von virtuellen Quarks und Gluonen umgeben Strom-Massen

79 Konstituenten Quark-Massen Quark Masse in MeV/c² u, d 320 s 500 c 1600 b 4800 t Quark-Massen können nicht direkt bestimmt werden, da Quarks nie frei erzeugt werden Confinement

80 Hadronen aus Quark-Massen

81 Modernes Quark-Modell QCD Quarks tragen starke Ladung: Farbe Die Ladung der starken WW wird Farbe (Colour) The three quarks composing a baryon must be RGB, which add to white. The quark genannt, and antiquark da sie composing sich in a meson Hadronen must be a immer color and anticolor, zu farblos here RR also adding to white. The force between systems that have color is so great (=weiß) addieren muss (Gell-Mann et al. 1972): that they can neither be separated nor exist as colored. Mesonen = Farbe + Komplementärfarbe. Baryon = R + G + B = weiß. Die Farbladung ist so stark, dass einzelne Quarks nie isoliert werden können (= Confinement).

82 Quarks und Leptonen sind die SM-Teilchen Isospin-Dubletten und Quarks als Farb-Tripletts Farbe Schwacher Isospin: +1/2-1/2 +1/2-1/2

83 Nachweis der Quarks im Proton Proton Streuung von hochenergetische Elektronen (SLAC 20 GeV, DESY) an Protonen ergibt Evidenz dafür, dass Protonen aus punktartigen Teilchen (sog. Partonen) aufgebaut sind. Dieses Experiment ist in der Tradition des Experimentes von Rutherford zu sehen. Die Energie der Elektronen muss groß genug sein, so dass l = h/p = hc/e = 2x10-17 m < R Proton. Scattering of high-energy electrons from protons at facilities like SLAC produces evidence of three point-like charges consistent with proposed quark properties. This experiment is analogous to Rutherford s discovery of the small size of the nucleus by scattering α particles. High-energy electrons are used so that the probe wavelength is small enough to see details smaller than the proton.

84 Modernes Konzept des Protons beinhaltet mehr als nur die 3 Valenz-Quarks u-u-d, die nur für 2% der Protonenmasse aufkommen. Nach Einstein gilt m p = E/c². Die meiste Energie E stammt von virtuellen (sog. Sea-) Quarks und Gluonenfeldern G. Selbst außerhalb des Protons werden virtuelle Teilchen erzeugt und wieder vernichtet das Vakuum der starken WW ist sehr komplex. Masse des Protons?

85 Sog. Tetra-Quarks Unsinn? = Mesonen Molekül?

86 Die vier fundamentalen WW der Natur

87 Elektromagnetische Wechselwirkungen

88 Schwache Wechselwirkungen Schwache WW kann nicht durch Kraftfeld beschrieben werden, sondern nur Qfeldtheoretisch.

89 Schwache WW Austauschteilchen

90 Schwache WW Austauschteilchen

91 Die Starke Wechselwirkung Die starke Wechselwirkung ist nach der Gravitation, der elektromagnetischen und der schwachen Wechselwirkung die vierte fundamentale Kraft zwischen den Bausteinen der Materie. Alle sechs Quarks werden durch sie beeinflusst, im Gegensatz zu den sechs Leptonen, die nichts von der Existenz der starken Wechselwirkung bemerken. Ein Nebenprodukt der starken Wechselwirkung ist die starke Kernkraft, die zwischen den Hadronen wirkt und die die Nukleonen im Atomkern zusammenhält. Somit ist die starke Kernkraft keine unabhängige Wechselwirkung. Eine detailliertere Beschreibung der starken Wechselwirkung kann nur mit den Mitteln der Quantenfeldtheorie erfolgen. In vereinfachten Modellrechnungen ergibt sich ungefähr eine abstandsunabhängige konstante Kraft, die die Quarks daran hindert, zu entweichen (Confinement).

92 Quarks tragen eine Farbladung als Quelle der starken WW

93 Quarks tauschen Gluonen aus, die selber Farbladung tragen

94 Moderne Formulierung Quanten-Chromodynamik Die Feldquanten (Gluonen) tragen selbst Ladung (Farbe) der starken WW. Die Feldlinien des Farbfeldes ziehen sich gegenseitig an V(r) = F 0 r homogen r r Elektrisches Feld Chromoelektrisches Feld =,,Farbstring

95 Gluonen wechselwirken mit Quarks

96 Proton und Neutron binden sich

97 Starke Wechselwirkung Nukleonen Elektrische Kräfte zwischen Protonen wirken abstoßend Jedoch starke Kraft zwischen Quarks wirkt anziehend und halten den Kern zusammen

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99 Proton-Neutron Streuung im Q-Bild

100 Laufende Kopplungskonstante

101 Quark- Confinement Werden zwei Quarks auseinandergezogen, so bildet sich zwischen ihnen aufgrund der Selbst-Wechselwirkung der starken Kraftfelder ein Kraftfeldschlauch aus. Sobald die darin gespeicherte Energie groß genug ist, bildet sich daraus ein neues Quark-Antiquark-Paar. Der Schlauch zerreißt, und die neu entstandenen Hadronen driften auseinander. Es ist nicht möglich, ein einzelnes freies Quark zu erzeugen.

102 Materieteilchen 3 Generationen 6 I-Dublette

103 Zusammenfassung 2 Die Welt besteht aus Leptonen & Quarks

104 Materieteilchen Masse Kraftteilchen

105 Zusammenfassung 3 Spin-1 Bosonen vermitteln die WW-Kräfte

106 Zum Nachdenken: Aus wie vielen Elementarteilchen besteht der Mensch? Ein Wassermolekül besteht nun aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Elektron und einem Proton, das wiederum aus drei Quarks besteht. Macht vier Elementarteilchen für ein Wasserstoffatom. Bei den Sauerstoffatomen kommt man auf acht Elektronen und 48 Quarks, also 56 Elementarteilchen. Zusammen ergibt das 64 Elementarteilchen pro Wassermolekül. Multipliziert man das mit der Anzahl der Wassermoleküle kommt man auf über = 100 Quadrilliarden Elementarteilchen.