Expedition ins Innerste der Materie und zum Anfang des Universums

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Dieter Dressler
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1 Expedition ins Innerste der Materie und zum Anfang des Universums DPG FRÜHJAHRSTAGUNG TEILCHENPHYSIK MÜNCHEN, MÄRZ 2009 WOLFGANG HOLLIK, MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR PHYSIK, MÜNCHEN p.1

2 p.2

3 Die Welt im Großen wird beherrscht durch die Gravitation Newtonsches Gravitationsgesetz F(r) = G N m 1 m 2 r 2 Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins R µν 1 2 R g µν + Λ g µν = 8πG N T µν p.3

4 Die Welt im Kleinen führt zur È Ý Ö Ð Ñ ÒØ ÖØ Ð Ò Ö ÓÖ Ø ÒÒ Ö Ø ËØÖÙ ØÙÖ Ö Å Ø Ö Ò Ø Ò Ö ÙÒ Ñ ÒØ Ð Ò ÃÖĐ Ø Ð ËØÖÙ ØÙÖ Ö Å Ø Ö Ð Ò Ø Ò ØĐ Ò Ò ÙÆÒ Ò Ö ÖÙÒ Ð Ò Ò Æ ØÙÖ ØÞ p.4

5 ½ ¼ ¹ ½ ¼ ÐØÓÒ ÚÓÒ ØÓÑ Ò Ð Ä Ö ½ ¹½ ½ Å Ý Ö»Å Ò Ð Ú Ö Ð Ñ ÒØ È Ö Ó Ò Ý Ø Ñ ½ ½ ¹ ½ µ ÊÙØ Ö ÓÖ Ã ÖÒ Ñ Ø Ð ØÖÓÒ Ò ĐÙÐÐ ØÓÑ Û ÂÓÐ ÓØ º ½ ¾ ÓØ ÙÒ ÈÖÓØÓÒ Ò Ñ Ã ÖÒ Æ ÙØÖÓÒ Ò Û ½ ÐÐ¹Å ÒÒ ÙÒ Æ ÙØÖÓÒ Ò Ø Ò Ù ÉÙ Ö ÈÖÓØÓÒ Ò ÖÙÒ Ù Ø Ò Ò Ö ËØÓ«Ñ Î Ö Ò ÙÒ Ò ØÓÑ Ã ÖÒ ¾ Ù Ø Ò p.5

6 Grundbausteine der Materie p.6

7 empirische Vielfalt der Kräfte 4 fundamentale Wechselwirkungen starke Wechselwirkung (Kernkraft) elektromagnetische Wechselwirkung (Licht) schwache Wechselwirkung (β-zerfall) Gravitations-Wechselwirkung (Schwerkraft) p.7

8 17. Jahrhundert: Schwerkraft p.8

9 19. Jahrhundert elektrische Kraft + magnetische Kraft Theorie des Elektromagnetismus (Maxwell) ELEKTRODYNAMIK elektromagnetische Wellen als Vorhersage experimenteller Nachweis (H. Hertz) Licht als elektromagnetische Welle p.9

10 Â Elektromagnetismus elektromagnetische Wellen J. C. Maxwell ¼ Relativitätstheorie p.10

11 Ñ ¾ Äquivalenz von Masse und Energie º Ò Ø Ò 1 GeV Masse eines Protons (Giga-Elektronenvolt) 1 MeV 1 GeV / 1000 (Mega-Elektronenvolt) 1 TeV 1 GeV 1000 (Tera-Elektronenvolt) p.11

12 ÒØ ¹Ì Ð Ò Ñ Å Ñ Å Ì Ð Ò Ä ÙÒ É Ä ÙÒ É p.12 Èº º Åº Ö

13 ¾¼º Â Ö ÙÒ ÖØ ÉÙ ÒØ ÒØ ÓÖ ÃÖĐ Ø ÞÛ Ò Ì Ð Ò ÃÖ Ø¹ Ð Öµ Û Ö Ò Ú ÖÑ ØØ ÐØ ÙÖ Ð ¹ÉÙ ÒØ Ò Ó ÓÒ Ò µ p.13

14 γ g elektromagn. Kraft starke Kraft W + Z 0 W - G schwache Kraft Gravitation p.14

1960-1980: Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung

15 : Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung Vorhersage der W und Z Bosonen experimenteller Nachweis 1983 bei CERN Nobelpreis Physik 1979 Glashow Salam Weinberg p.15

16 Ì ÓÖ Ð ØÖÓ Û Ì ÓÖ Ö Ø Ö Ò Ï ÐÛ Ö ÙÒ ËØ Ò Ö ÑÓ ÐÐ Ö Ì Ð ÒÔ Ý ÙÒ Ñ ÒØ Ð ÃÓÒ Ø ØÙ ÒØ Ò Ä ÔØÓÒ Ò ÙÒ ÉÙ Ö ÙÒ Ñ ÒØ Ð ÃÖĐ Ø Ù Ø Ù Ø Ð Ò p.16

17 e Elek.-Neutrino 3 ev e Elektron 511 kev u Up-Quark 2 MeV d Myon-Neutrino 190 kev Myon MeV c Charm-Quark s 1.5 GeV Tau-Neutrino 18 MeV Tauon 1777 MeV t Top-Quark GeV b Leptons Quarks Fermions (matter particles) Down-Quark 5 MeV Strange-Quark 150 MeV Bottom-Quark 4.5 GeV Photon 0 W W-Boson GeV H Z Z-Boson GeV g Gluon 0 Higgs-Boson 115 GeV Bosons (force particles) p.17

18 Û Ð Ì Ð Ò Û Đ Ù Ò Û Ð Ö Ê ØÙÒ Æ Û Ö Ì Ð Ò ÜÔ Ö Ñ ÒØ ÐÐ Ì Ø Ì ÓÖ ÜÔ Ö Ñ ÒØ ÎÓÖ Ö Ò ÚÓÒ ÈÖÓÞ Ò Ð ÙÒ Ö Ø ØÓÖ Ò ÍÒØ Ö Ù ÙÒ Ò Ð Ò Ò Ø ÒÞ Ò Ö ÓÖ ÖÒ Ó Ò Ö Ò p.18

19 p.19

20 ÈÓ ØÖÓÒ ½¼ Î Ä È Ò Ð ØÖÓÒ ½¼ Î À Ê À Ñ ÙÖ Ð ØÖÓÒ ÈÖÓØÓÒ ÉÙ Ö µ ¼ Î ¾¼ Î Ì Ú ØÖÓÒ Ó ÈÖÓØÓÒ ÉÙ Ö µ ÒØ ¹ÈÖÓØÓÒ ÒØ ¹ÉÙ Ö µ ½¼¼¼ Î ½¼¼¼ Î p.20

21 Ä È ÊÆ Ò p.21 Ð ØÖÓÒ ß ÈÓ ØÖÓÒ

22 Elektron-Positron-Kollisionen p.22

23 Elektron-Proton-Kollisionen p.23

24 Proton-Antiproton-Kollisionen p.24

25 offene Fragen Woher? Warum? Wohin? Massen der Teilchen 3 Familien Weitere Vereinheitlichung der Kräfte p.25

26 ÏÓ Ö ÓÑÑ Ò Å Ò Ö Ì Ð Ò ÒØÛÓÖØ ËØ Ò Ö ÑÓ ÐÐ Ñ Ø Å Ò Ò Ï ÐÛ Ö ÙÒ Ñ Ø Ì Ð Ò ÞÙ Đ ØÞÐ Ò À ¹ Ð Ò Ñ Ù ÚÓÖ Ò Ò Ñ Ð Ö Ò Ê ÙÑ Ø Î ÙÙÑ Ø Ò Ø Ð Ö ÙÒ Ð Ò Ö µ º º Ò Ò Ô Þ ÐÐ Ä ÙÒ Ñ Ø Ö ÚÓÑ Ì Ð Ò Ò ÞÓ Ò Û Ö Ò ÌÖĐ Ø Å µ Î ÙÙÑ p.26

27 ÖÓ ÜÔ Ö Ñ ÒØ ÐÐ À Ö Ù ÓÖ ÖÙÒ Ë Ò Ð Å Ò ÑÙ Ü Ø ÒÞ Ò À ¹Ì Ð Ò Ñ ÜÔ Ö Ñ ÒØ ĐÙ ÖÔÖĐÙ Ö Å ½½ Î Ä È¹ ÜÔ Ö Ñ ÒØ µ Å ¾¼¼ Î Û ÒÒ ËØ Ò Ö ÑÓ ÐÐ ÓÖÖ Ø p.27

28 Erzeugung von Higgs-Bosonen in der Elektron-Positron-Vernichtung À E max = 206 GeV, M Z = 91 GeV 206 GeV 91 GeV = 115 GeV nur möglich für Higgs-Masse kleiner als 115 GeV p.28

29 Quantenfluktuationen Reaktionen bei hohen Energien kleine Abstände, kurze Reaktionszeiten À x p h, t E h p.29

30 Quantenfluktuationen À Sensitivität von Messgrößen auf die Higgs-Masse Nobelpreis Physik 1999 t Hooft Veltman p.30

31 Higgs mass [GeV] year p.31

32 Warum 3 Familien? LEP: Anzahl der Familien = 3 cross section [nb] LEP: ALEPH DELPHI L3 OPAL 2ν 3ν 4ν data cms energy [GeV] gemessen: e + e Z 0 l + l, q q p.32

33 3 Familien erlauben Verletzung der CP-Symmetrie CP: Teilchen Antiteilchen und Spiegelung Nobelpreis Physik 2008 Kobayashi Maskawa Nambu p.33

34 CP-Symmetrie ist gebrochen durch die schwache Wechselwirkung (experimentell beobachtet) notwendig für die Entwicklung des Universums Materie > Antimaterie Baryon-Asymmetrie des Universums Teilchen : Antiteilchen = : im sehr frühen Universum Stärke der CP-Verletzung im Standardmodell nicht ausreichend für die Baryon-Asymmetrie p.34

35 Ø Ò Ñ Ò Ñ ÍÖ Ö Ø À ÒÛ ĐÙÖ ÍÌ ËØĐ Ö Ö Ï ÐÛ Ö ÙÒ Ò Ñ Ø Ö Ò Ö Đ Ò ÖÒ Î Ö Ò ÙÒ Ö ÙÒ Ñ ÒØ Ð Ò ÃÖĐ Ø Û Ø Ö ÖÓ Ú Ö Ò ØÐ Ø Ø ÓÖ Ö Ò ÍÒ Ì ÓÖÝ ÍÌµ Ð ØÖÓ Û Ø Ö ÖÒÞ Ð ÐÐ Ö ÃÖĐ Ø Ò Ð Ð Ö ÍÒ Ú Ö ÐÚ Ö Ò ÙÒ Ö Ú Ø Ø ÓÒ p.35

36 0.5 s 0.4 Messwerte QCD Ô Ð ËØ Ö Ï ÐÛ Ö ÙÒ Energie in GeV p.36

37 Nobelpreis Physik 2004: Asymptotische Freiheit David Gross David Politzer Frank Wilczek QCD g q q g g g g g p.37

38 QED γ f f γ Ladung abgeschirmt durch virtuelle e + e Paare em Ladung wächst mit zunehmender Energie p.38

39 p.39

40 jedoch: bei Extrapolation zu hohen Energien kein gemeinsamer Schnittpunkt neue Idee: Supersymmetrie SUSY = eine Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen jedes bekannte Teilchen hat ein supersymmetrisches Partnerteilchen gleiche Ladung Spin um jeweils 1/2 verschieden große Masse p.40

41 Ð Ø Ø ËÍË Ì Ð Ò ÙÒ Ð Å Ø Ö µ p.41

42 p.42

43 Die Welt im Großen wird beherrscht durch die Gravitation Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins R µν 1 2 R g µν + Λ g µν = 8πG N T µν T µν Λ sichtbare und dunkle Materie dunkle Energie p.43

44 p.44

45 À ¹Ì Ð Ò ËÍË Ì Ð Ò ËÙ Ò Û Ö Ò Ç Ø Ò Ö ÓÖ ÖØ ĐÓ Ö Ò Ö Ò Ð Ö ÖÖ Øº p.45

46 Zukünftige Collider 2008/2009: Large Hadron Collider Proton Proton Future: e + e Linear Collider 250 GeV GeV GeV GeV p.46

47 p.47

48 p.48

49 Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN, Genf Proton Proton Kollisionen im LEP Tunnel p.49

50 p.50

51 ATLAS lokale Beteiligung: LMU und MPP p.51

52 p.52

53 Der ATLAS Detektor am LHC p.53

54 p.54

55 p.55

56 LHC Tunnel p.56

57 p.57

58 Higgs-Erzeugung am LHC p.58

59 p.59

60 Higgsboson im CMS Detektor (Simulation) p.60

61 p.61

62 p.62

63 Ansätze zur Einbindung der Gravitation zur Zeit noch sehr spekulativ extra Raumdimensionen Gravitationsgesetz modifiziert bei kleinen Abständen Gravitonen in höheren Dimensionen Stringtheorie punktförmige Teilchen ausgedehnte Gebilde nicht-kommutative Geometrie bei kleinen Abständen p.63

64 ÍÒØ Ö Ù ÙÒ Ö Å Ø Ö Ó Ò Ò Ö Ò ÙØ Ø Ù Ð ÞÙÖĐÙ Ò ÖĐÙ È Ò ÍÒ Ú Ö ÙÑ p.64

65 p.65

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