Caren Hagner und Johannes Haller, Institut f. Experimentalphysik

Transkript

1 Vorlesung : Kern- und Teilchenphysik WS 2009/10 Caren Hagner und Johannes Haller, Institut f. Experimentalphysik 1

2 Caren Hagner Universität Hamburg Institut für Experimentalphysik Luruper Chaussee Hamburg Büro: DESY Gelände Bahrenfeld, Geb. 62, Zi. 210 Telefon: Webseite: Sprechstunden: nach Vereinbarung ( ) Forschungsgebiet: Neutrinophysik (Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik) 2

3 Start der Ubungen: Freitag Bitte in die Listen eintragen ob Termin 1 (12:30Uhr) oder Termin 2 (14:30Uhr) und ob Englisch gewunscht ist. Es wird 12 Ubungsblatter geben: Ausgabe jeweils Dienstag, Vorbesprechung am Freitag, Abgabe am nachsten Dienstag (vor der Vorlesung), Ruckgabe am Freitag (in den Ubungen) und Nachbesprechung (Vorrechnen) Klausur: Montag 8. Februar :00-12:00 Uhr Horsaal II - Physik Wiederholung: Montag 15. Marz :00-12:00 Uhr Horsaal II - Physik 3

4 Literaturliste Povh, Rith, Scholz, Zetsche Teilchen und Kerne (Springer Verlag), 8. Auflage 2009 Bethge, Walter, Wiedemann Kernphysik (Springer Verlag), 3. Auflage 2008 Mayer-Kuckuck Kernphysik (Teubner Verlag) 2005 Krane Introductory Nuclear Physics (Wiley Verlag) 1988 Berger Elementarteilchenphysik (Springer Verlag) 2001 Lohrmann Hochenergiephysik (Teubner Verlag) 2005 Perkins Introduction to High Energy Physics (Addison Wesley) Griffiths Introduction to Elementary Particle Physics (Wiley Verlag) 2008 Halzen, Martin Quarks and Leptons (Wiley Verlag) 1984 Martin, Shaw Elementary Particle Physics (Wiley Verlag) 1997 Kleinknecht Detektoren für Teilchenstahlung (Teubner) Hering Angewandte Kernphysik (Teubner) 4

5 Gliederung 1. Einführung und Grundbegriffe 2. Beschreibung von Teilchenprozessen 3. Experimentelle Verfahren der Kern- und Teilchenphysik 4. Kerneigenschaften und Kernmodelle 5. Kernzerfälle (Radioaktivität) 6. Kernreaktionen 7. Kernkräfte 8. Anwendungen der Kernphysik Teilchen, Wechselwirkungen, Feynman-Diagramme Teilchenerzeugung in der e+e- Annihilation Struktur der Hadronen Elektroschwache Wechselwirkung Physik am LHC 5

6 1. Einführung: Grundlagen und Überblick Motivation: Fundamentale Fragen der Kern- und Teilchenphysik 1. Struktur der Materie Größenordnungen und Einheiten 2. Fundamentale Teilchen 1. Fermionen: Quarks und Leptonen 2. Bosonen: Vermittler der Wechselwirkungen 3. Fundamentale Wechselwirkungen 4. Quantenzahlen, Symmetrien- und Erhaltungssätze 5. Hadronen: Aus Quarks zusammengesetzte Teilchensysteme 6. Übersicht der Nuklide (Aus Protonen und Neutronen zusammengesetzte Systeme) 7. Forschungsmethoden der Kern- und Teilchenphysik Wege zur Entdeckung neuer Physik, 8. Verzahnung der Kern- und Teilchenphysik mit Kosmologie und Astrophysik 6

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8 Motivation: Fundamentale Fragen in der Kern- und Teilchenphysik Gibt es Elementarteilchen? Was sind Elementarteilchen? Was ist Materie? Wie entsteht Masse? Gibt es eine vereinheitlichte Wechselwirkung? Wie entstand das Universum? Woraus besteht das Universum? Wie hat sich das Universum entwickelt? Wie sind die schweren Elemente (jenseits von Eisen) entstanden? 8

9 1.1 Struktur der Materie 9

10 Das heutige Bild vom Aufbau eines Atoms Größe < m Größe m Größe < m Größe m Größe m 10

11 10-15 m Entdeckung des Gluons bei DESY (1979) Struktur des Protons 11

12 Einheiten in der Kern- und Teilchenphysik 1.661e-27 kg 12

13 Wichtige Konstanten 13

14 1.2 Fundamentale Teilchen Listen und Referenzen aller Teilchen bei der Particle Data Group: 14

15 1.3 Fundamenale Wechselwirkungen Was hält die Materie zusammen? Die 4 Grundkräfte des Universums Feldquant: Symmetrie: 8 Gell-Mann-Matrizen

16 1.3 Fundamentale Wechselwirkungen 16

17 Übersicht der fundamentalen Wechselwirkungen Wechselwirkung Ladung Stärke 1) Feldquant Spin Reichweite WW mit stark elektr. Ladung elektromagnetisch Farbladung 1/137 Photon M=0 1/2 1 Quarks und geladene Leptonen 8 Gluonen m 2 ) Quarks M=0 2) schwach schwache Ladung 1/10 5 W ±, Z m Quarks und M 90GeV/c 2 Leptonen Gravitation 3 ) Masse Graviton M=0 (noch nicht beob.) 2 alle Teilchen (Energie) 1 ) Die Stärke hängt vom Abstand (Energie) ab. Hier: Werte bei 0.2 fm / 1 GeV 2 ) nicht wegen Gluon-Gluon Selbstwechselwirkung 3 ) so schwach, dass sie (zurzeit) in Kern- und Teilchenphysik keine Rolle spielt. 17

18 Ziel (?), Traum: Vereinheitlichung aller fundamentalen Wechselwirkungen Jahrhundert 16./ Elektrostatik Magnetismus Gravitation (1. Hälfte) 20. (2. Hälfte)? Elektromagnetische WW QED (Quantenelektrodynamik) schwache WW starke WW elektroschwache WW QCD * Grand Unified Theorie (GUT)? ART Allgemeine Relativitätstheorie Weltformel, Theorie of Everything, Stringtheorie?, Quantum Loop Gravity? * Quantenchromodynamik 18

19 Felder (klassisch) und Teilchen (quantisiert) 19

20 Zusammenhang: Masse des Feldquants - Reichweite Wechselwirkung Ladung Stärke 1) Feldquant Spin Reichweite WW mit stark elektr. Ladung elektromagnetisch Farbladung 1/137 Photon M=0 1/2 1 Quarks und geladene Leptonen 8 Gluonen m 2 ) Quarks M=0 2) schwach schwache Ladung 1/10 5 W ±, Z m Quarks und M 90GeV/c 2 Leptonen Gravitation 3 ) Masse Graviton M=0 (noch nicht beob.) 2 alle Teilchen (Energie) 1 ) Die Stärke hängt vom Abstand (Energie) ab. Hier: Werte bei 0.2 fm / 1 GeV 2 ) nicht wegen Gluon-Gluon Selbstwechselwirkung 3 ) so schwach, dass sie (zurzeit) in Kern- und Teilchenphysik keine Rolle spielt. 20

21 aus der Publikation Teilchenphysik in Deutschland des KET (Kommittee Elementarteilchenphysik) 21

22 Beschreibung eines Experimentes in dem ein Strahl von Elektronen auf ein feststehendes Target geschossen wird: 22

23 Feynmangraphen dienen als: Visualisierung fundamentaler Prozesse in der Quantenfeldtheorie mathematisches Rezept zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit physikalischer Prozesse 23

24 Feynmangraphen: Beispiel 1 24

25 Feynmangraphen: Beispiel 2 25

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27 Feynmangraphen: Beispiel 3 27

28 1.4 Quantenzahlen, Symmetrien und Erhaltungssätze Noethersches Theorem (stark vereinfacht, später genauer): Es besteht ein Zusammenhang zwischen (kontinuierlichen) Symmetrien und Erhaltungssätzen. Emmy Noether ( ) 28

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30 Dies sind Neutrinooszillationen. Sie verletzen die L e, L μ, L τ Erhaltung. Für alle anderen Prozesse gilt aber (bisher), L e, L μ, L τ Erhaltung! 30

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32 (zum Vergleich: Alter des Universums 13.7x10 9 Jahre) 32

33 ja jafast **) und entsprechende B-Systeme **) bis auf Neutrinooszillationen (z.b. Übergang v e v μ ) (1998 entdeckt) 33

34 Beschreibung und Ordnung des Teilchenzoos 34

35 1.5 Hadronen: aus Quarks zusammengesetzte Systeme 35

36 Mesonen: Systeme aus einem Quark und einem Antiquark 36

37 Baryonen: Systeme aus 3 Quarks 37

38 1.6 Atomkerne Quarks bleiben (weitgehend) gebunden in Protonen und Neutronen. Nukleonen sind durch Restwechselwirkung gebunden. Atomkerne sind sehr komplexe Vielteilchensysteme - viele offene Fragen - oft zu komplex um fundamentale Fragestellungen zu enträtseln. - Beschreibung vieler Effekte durch empirische Modelle Unter extremem Druck: neuer Aggregatzustand Quark-Gluon Plasma Nuklidkarte normale Kernmaterie Quark-Gluon Plasma 38

39 1.7 Forschungsmethoden der Kern- und Teilchenphysik Experimentelle Ergebnisse Theorie: Beschreibung mit Modellen Vorhersagen, neue Experimente Ziel: Beschreibung aller experimentellen Beobachtungen in einer konsistenten Theorie (möglichst wenig willkürliche Parameter) nicht vorhergesagte Entdeckungen: Röntgenstrahlung, CP-Verletzung, 3 Familien, vorhergesagte Entdeckungen: Antiproton, P-Verletzung, Eichbosonen (W,Z), Experimente an Teilchenbeschleunigern, in Untergrundlaboren oder mit riesigen Detektoren für kosmische Strahlung (Icecube km 3, Auger 3000km 2 ) 39

40 Zentren der Teilchenphysik weltweit 40

41 Teilchenphysik am DESY in Hamburg: HERA Speicherring bis

42 Wege zur Physik jenseits des Standardmodells Höchste Energien: LHC, kosmische Strahlung, Schwerionenstöße Höchste Intensitäten: B-Fabriken, Präzisionsexperimente Suche nach seltenen Prozessen Kosmologie und Astrophysik: Dunkle Materie und Dunkle Energie, Frühes Universum, Mikrowellenhintergrund

43 Die Entwicklung des Universums

44 Woraus besteht das Universum? 4% normale Materie (Quarks, Leptonen) 23% dunkle Materie (?) 73% dunkle Energie (??) 44