Max Camenzind Akademie HD Mai 2015

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1 Max Camenzind Akademie HD Mai 2015

2 Frühes Universum Materie-Modell Standardmodell Expansion Friedmann Temperatur-Entwicklung + Radius-Entwicklung t = 2,4 sec g * -1/2 (MeV/k B T)² R(t) ~ t 1/2

3 10 16 GeV R(t) ~ t 1/2

4 Physik ist bekannt

5 Der Teilchenzoo der 60er Jahre Situation um 1932: Sind Proton und Neutron elementar? Nein: es folgten Pi-Mesonen und Myonen und viele andere. 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.

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7 Teilchen: 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.

8 1932 Was ist der Unterschied zwischen n & p? - starker Isospin - Der (starke) Isospin ist in der Theorie der Elementarteilchen eine Flavour-Quantenzahl, die eine innere Symmetrie unter der starken Wechselwirkung beschreibt und zur Klassifizierung der Hadronen genutzt wird. Der Name Isospin wurde 1937 von Eugene Wigner geprägt. Werner Heisenberg

9 1935 Yukawa Theorie der starken Wechselwirkung - Mesonen Austausch - p Hideki Yukawa

10 p - Mesonen 1947 (Cosmic Rays)

11 p-mesonen bilden Isospin Triplett p p p 0 Isospin Triplett Masse : 139,6/135 MeV/c² Isospin: T = 1 ; T 3 = -1,0,+1

12 Cosmic Rays rayss

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14 o 0 Neue Quantenzahlen: Seltsamkeit: S Hyperladung: Y = B + S Gell-Mann: Q = T 3 + Y/2 Seltsame Baryonen K 0 K Seltsame Mesonen

15 Delta Resonanzen Masse: 1230 MeV/c² 0

16 Baryonen und Mesonen gruppieren sich in ähnlichen Massen Massenmultipletts Gell-Mann macht 1961 dafür den starken Isospin verantwortlich: Hadronen mit ~ gleicher Masse bilden ein Isospin- Multiplett: 0, ½, 1 Resag

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

18 Jokhang Tempelanlage in Lhasa

19 Gell-Mann 1961: Achtfacher Weg Spin-0 Mesonen B = 0 ; Q = T 3 + Y/2 Y = B + S Isospin Dublett Isospin Triplet & Singlett Isospin Dublett

20 Gell-Mann: der Achtfache Weg Spin-1/2 Baryonen B = +1 ; Q = T 3 + Y/2 Y = B + S Isospin Dublett Isospin Triplett Isospin Dublett

21 Gell-Mann: der Achtfache Weg Spin-1 Mesonen B = 0 ; Q = T 3 + Y/2 Y = B + S Isospin Dublett Isospin Triplett & 2 Singlett Isospin Dublett

22 Gell-Mann: Dekuplett Baryonen Spin-3/2 Baryonen B = +1 ; Q = T 3 + Y/2 Y = B + S

23 Moderne Klassifikation Teilchen Wechselwirkungsteilchen Bosonen Fermionen Camenzind

24 Erzeugung in Höhenstrahlung 85% Protonen

25 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

26 DESY Hamburg 1964,76,84 Nachweis der Gluonen

27 HERA: Elektron-Proton Beschleuniger wurde 2007 stillgelegt

28 DESY FLASH: Free Elektron-Laser

29 DESY XFEL: Röntgen-Laser

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

33 Large Hadronen Collider LHC wurde im LEP-Tunnel errichtet 14 TeV p 33

34 Detektoren am LHC / CERN

35 ATLAS Detektor am LHC

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38 CMS Detektor am LHC

39 CMS Detektor Teilchenspuren

40 Myonen-Event im CMS am LHC

41 Die unmittelbaren Kosten für das LHC-Projekt, ohne die Detektoren, belaufen sich auf etwa 3 Milliarden Euro. Bei der Bewilligung der Konstruktion im Jahr 1995 wurde ein Budget von 2,6 Milliarden Schweizer Franken (damals 1,6 Milliarden Euro) für den Bau des LHC und der unterirdischen Hallen für die Detektoren veranschlagt. Doch bereits 2001 wurden zusätzliche Kosten von 480 Millionen Schweizer Franken (etwa 300 Millionen Euro) für den Beschleuniger veranschlagt, wovon allein 180 Millionen Schweizer Franken (120 Millionen Euro) auf die supraleitenden Magnete entfielen. Weitere Kostensteigerungen entstanden aufgrund technischer Schwierigkeiten beim Bau der unterirdischen Halle für das Compact Muon Solenoid, teilweise aufgrund von defekten Teilen, die von den Partnerlaboratorien Argonne National Laboratory, Fermilab und KEK zur Verfügung gestellt worden waren.

42 Murray Gell-Mann - * 1929 NY 1964 Quarkmodell Ordnung George Zweig Asse

43 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.

44 Gell-Mann Quark-Modell 3 Quarks Quarks jedoch nicht frei nur confined

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47 Quarkmodell: Mesonen Oktett

48 Quarkmodell: Baryonen Oktett

49 Quarkmodell: Baryonen Dekuplett

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

51 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.

52 Rutherford Streuversuch mit alpha Teilchen an Goldfolie a Teilchen sind He-Kerne

53 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).

54 Quarks können nicht beliebig auseinander gezogen werden! Quarks werden durch Gluonenfelder gebunden Feldenergie Masse p 1,6 fm

55 Starke Kraft bindet Atomkerne

56 Starke Kraft im Atomkern Mesonen und Baryonen sind so stark gebundene Objekte, dass nach außen kaum noch etwas von ihren Farbladungen zu bemerken ist. In diesem Sinne ähneln sie einem Atom, das ja auch nach außen elektrisch neutral (also ungeladen) erscheint. Bringt man jedoch zwei Baryonen dicht zusammen, so ist eine Restwechselwirkung zu spüren, die in etwa der Van-der-Waals-Kraft im Atom entspricht.

57 Austauschteilchen Kräfte 8 Gluonen 1 Photon 3 W- & Z- Bosonen

58 Jedes Gluon trägt 2 Farben 8 Kombinationen Die SU(3) hat 8 Generatoren: Gell-Mann Matrizen Es gibt 8 Gluonen, die Farb-Ladung tragen chromo-elektrisch & chromo-magn. Felder

59 Quarks tauschen Gluonen aus erzeugt die starke Wechselwirkung Gluonenfelder binden die Quarks

60 Higgs

61 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

62 Heute 6 Quarks: Quantenzahlen

63 Top Produktion am Tevatron 1995

64 Top-Quark Produktion am Tevatron

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66 2010: Erste Ergebnisse vom LHC Physik des LEP bestätigt Strange Charm Bottom Weak Interaction

67 Die Masse des Top-Quarks LHC

68 Top-Quark anti-top-quark Event in CMS

69 Quarkmodell: Anzahl Multipletts Da es sechs verschiedene Quark-Flavours gibt, kann man 6 6 = 36 unterschiedliche Flavour-Antiflavour- Kombinationen erwarten (wenn man Meson und Antimeson jeweils nur insgesamt einmal zählt). Daraus ergeben sich theoretisch jeweils 36 Mesonen für jede Kombination aus Spin-Orientierung (parallel, antiparallel), Bahndrehimpuls und radialer Anregung. In der Praxis ergeben sich deutliche Einschränkungen: Mesonzustände mit höherer Energie sind schwerer zu erzeugen, kurzlebiger und schwieriger spektroskopisch zu trennen. Daher ist die Zahl bekannter Mesonen beschränkt. Das t-quark wiederum ist extrem schwer und zerfällt, bevor es gebundene Zustände mit anderen Quarks bilden kann.

70 Mesonen mit Charm C

71 Baryonen mit Bottomness B`

72 Zusammenfassung Warum es gerade 6 Quarks gibt, ist nicht geklärt. Jedoch: es gibt die gleiche Anzahl Quarks wie Leptonen (e, µ, t und ihre 3 Neutrinos). Im Standardmodell werden sie zu drei Generationen gebündelt. Die Hierarchie der Massen der Quarks ist ebenfalls nicht geklärt. Schießt man im LHC Protonen aufeinander, so entstehen ganze Bündel von neuen Teilchen und Antiteilchen (Jets genannt).