VERSTÄNDNIS VON DER STRUKTUR DER MATERIE UND IHRER KRÄFTE SCHAFFE ZUSTÄNDE WIE IN DEN ERSTEN ANFÄNGEN DES UNIVERSUMS

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1 DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINEN DER NATUR "Die Natur liebt sich zu verbergen" Heraklit, 500 v. Chr. ZWEI FUNDAMENTALE FRAGEN : WIE IST DAS UNIVERSUM ENTSTANDEN? WORAUS BESTEHT DIE MATERIE MIT IHREN KRÄFTEN? BEIDE FRAGEN SIND MITEINANDER VERKNÜPFT : VERSTÄNDNIS VON DER STRUKTUR DER MATERIE UND IHRER KRÄFTE <==> BESSERES WISSEN ÜBER IHREN URSPRUNG FÜR DIE SUCHE NACH DIESEM VERSTÄNDNIS : SCHAFFE ZUSTÄNDE WIE IN DEN ERSTEN ANFÄNGEN DES UNIVERSUMS

2 VOM UNIVERSUM ZUM QUARK m 10 7 m 10 1 m 10-4 m 10-8 m m

3 I. ZUR ENTSTEHUNG DES UNIVERSUMS DAS UNIVERSUM IST VOR CA. 13 MILLIARDEN JAHREN IN EINEM URKNALL ENTSTANDEN ("BIG BANG") DIES BERUHT AUF DREI BEOBACHTUNGEN:

4 ELEMENTHÄUFIGKEIT IM UNIVERSUM 1. BEOBACHTUNG: PRIMORDIALE HÄUFIGKEIT DER ELEMENTE 75% H, 24% He, <1% Li,... ELEMENTSYNTHESE IN DEN ERSTEN DREI MINUTEN Messung der Zusammensetzung mit Spektralanalyse

5 ROTVERSCHIEBUNG FERNER GALAXIEN 2. BEOBACHTUNG: Kalzium DIE GALAXIEN ENTFERNEN SICH VON EINANDER (Hubble 1930) JE GRÖSSER DIE ENTFERNUNG DESTO SCHNELLER Hubble

6 HORNANTENNE DER BELL TELEPHONE LABORATORIES 3. BEOBACHTUNG: KOSMISCHE HINTERGRUNDSTRAHLUNG (Penzias, Wilson 1956) 2.7 K TEMPERATURSTRAHLUNG LICHTBLITZ DES URKNALLS Körper mit Temperatur T [K] strahlen mit Frequenzverteilung ν

7 DIE ABKÜHLUNG DES UNIVERSUMS Radius 10-3 m m m Teilchenbeschleuniger

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9 II. DIE FUNDAMENTALEN TEILCHEN Dalton Lehre von den Atomen als Grundbausteinen der Stoffe Meyer/Mendelejev Periodensystem der Elemente 10 7 Chemische Verbindungen 112 Atome Rutherford ( ) Atome: kompakter Kern mit Elektronenhülle Bothe, Chadwick, Joliot (um 1932) Neutronen und Protonen im Kern 112 Atome 3 Bausteine Gell-Mann, Zweig (1964) Protonen, Neutronen, andere Hadronen Bestehen aus Quarks >100 Elementarteilchen 6 Quarks

10 UNTERSUCHUNG KLEINER STRUKTUREN MIT STREUUNG Winkelverteilung der Projektile nach der Streuung: HINWEIS AUF INNERE STRUKTUREN

11 DAS EXPERIMENT VON GEIGER UND RUTHERFORD STREUUNG VON ALPHA-TEILCHEN AN EINER GOLDFOLIE Mikroskop α-quelle BEOBACHTUNG: ZUWEILEN WERDEN TEILCHEN STARK ABGELENKT WINKELVERTEILUNG UNABHÄNGIG VON DER ENERGIE Leuchtschirm ERKENNTNIS: ATOME BESTEHEN AUS WINZIGEM GELADENEN KERN UND ELEKTRONENHÜLLE

12 PRINZIP EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS DIE BRAUNSCHE RÖHRE - + U Beschleunigungsspannung U = 1Volt Beschleunigungsspannung U = 1000Volt MODERNE ANFORDERUNGEN: kinetische Energie = 1eV kinetische Energie = 1keV ev = 1 TeV

13 SCHEMA EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS

14 INTERNATIONALE BESCHLEUNIGERLABORS Karlsruher Beteiligung

15 DAS EXPERIMENT VON FRIEDMANN, KENDALL; TAYLOR...(1962) STREUUNG VON HOCHENERGETISCHEN ELEKTRONEN AN WASSERSTOFF IN STANFORD (SLAC) 17 GeV Elektronen BEOBACHTUNG: ZUWEILEN WERDEN ELEKTRONEN STARK ABGELENKT WINKELVERTEILUNG UNABHÄNGIG VON DER ENERGIE ERKENNTNIS: STREUUNG AN PUNKTFÖRMIGEN QUARKS PROTONEN BESTEHEN AUS 3 QUARKS: uud

16 ERKENNTNISSE HEUTE u d u Valenzquarks 2 fm Tevatron, Quarks ERKENNTNIS: STREUUNG AN PUNKTFÖRMIGEN QUARKS, R < m GENAUE STRUKTUR DES PROTONS

17 GRÖßENVERHÄLTNISSE PROTONEN SIND x KLEINER ALS ATOME (1911) Atomkern : Atomhülle = Knopf : Innenstadt QUARKS, LEPTONEN SIND MIND x KLEINER ALS PROTONEN (1998) Quark : Atomhülle < Knopf : Erde (Quark : Stecknadelkopf < Stecknadelkopf : Sonnensystem, usw)

18 BAUSTEINE DER SICHTBAREN MATERIE DIE SICHTBARE WELT BESTEHT AUS QUARKS UND LEPTONEN DER ERSTEN GENERATION: u, d, e -, ν IN DEN ERSTEN SEKUNDEN DES UNIVERSUMS GAB ES ABER NOCH WEITERE OBJEKTE, DIE LÄNGST ZERFALLEN SIND DIESE KÖNNEN AN TEILCHENBESCHLEUNIGERN IN KLEINEN "URKNALLEN" AUS ENERGIE ERZEUGT WERDEN t t ANWENDUNG: E = mc 2 (Albert Einstein)

19 III. DIE FUNDAMENTALEN KRÄFTE GRAVITATION: NEWTON ( ): GRAVITATIONSGESETZ ELEKTRIZITÄT, MAGNETISMUS: MAXWELL ( ): VEREINIGUNG ELEKTROSTATIK UND MAGNETISMUS HEINRICH HERTZ ( ): ENTDECKUNG DER ELEKTRO- MAGNETISCHEN WELLEN IN KARLSRUHE

20 DIE EXPERIMENTE VON HEINRICH HERTZ ENTDECKUNG DER "ELEKTRODYNAMISCHEN" WELLE ERKENNTNIS: DIE ELEKTRISCHEN UND MAGNETISCHE KRÄFTE WERDEN DURCH ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN ÜBERTRAGEN (PHOTONEN)

21 KRÄFTE ALS URSACHE ALLEN GESCHEHENS ALLGEMEIN: KRÄFTE ENTSTEHEN DURCH AUSTAUSCH VON BOSONEN SCHEMATISCHE BESCHREIBUNG DURCH FEYNMANDIAGRAMME

22 DIE FUNDAMENTALEN NATURKRÄFTE Entdeckung am CERN 1984 Gravitation Stärke : Anziehung von Massen Reichweite: unendlich Schwache Wechselwirkung Stärke : 1/ Bewirkt den radioaktiven Zerfall Reichweite: sehr klein! Elektromagnetische Wechselwirkung Stärke : 1/100 Gleiche Ladungen stossen sich ab, Reichweite: unendlich ungleiche ziehen sich an Starke Wechselwirkung Stärke : 1 Anziehende Kraft zwischen den Quarks Reichweite: ~10-15 m

23 UNSER HEUTIGES WISSEN: DAS STANDARDMODELL Sheldon Glashow Abdus Salam Higgs-Boson: verantwortlich für die Massen von Bosonen und Fermionen?

24 IV. DIE SUCHE NACH DEM SCHWERSTEN TEILCHEN BILD EINES KOLLISIONS-EREIGNISSES FERMILAB TEVATRON COLLIDER z.z. höchste Energien der Welt Pro Sekunde Kollisionen 1 Top-Ereignis nur in Kollisionen! DER CDF-DETEKTOR

25 FUNKTION EINES TEILCHENDETEKTORS e + e - Myon (hohe Energie) (mittlere Energie) (kleine Energie) Photon Elektron Quark Jet Spurdetektor Elektronkalorimeter Hadronkalorimeter Magnetspule Myonkammern

26 DAS CDF TOP-QUARKSIGNAL (1995) 1995 TOP-ANTITOP-PROZESS TOP-ANTITOP-EREIGNIS TOP-QUARK-SIGNAL

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28 DIE MASSEN DER QUARKS

29 V. ZUSAMMENFASSUNG UNSER HEUTIGES WELTBILD KENNT 12 FUNDAMENTALE MATERIETEILCHEN: QUARKS UND LEPTONEN 4 FUNDAMENTALE KRÄFTE Die Teilchen sind höchstens m groß. Ob sie zusammengesetzt sind, ist nicht bekannt. Ich halte es für nicht naheliegend. OFFENE FRAGEN: WIE BEKOMMEN TEILCHEN IHRE MASSE? WIESO GIBT ES NUR MATERIE IM HEUTIGEN UNIVERSUM? WIE ERKLÄRT SICH DIE VIELFALT DER TEILCHEN UND KRÄFTE? UND...

30 ÜBERRASCHUNG IM UNIVERSUM: DIE DUNKLE MATERIE Dunkle Materie Dunkle Energie Materie: 4% Kepler

31 DUNKLE MATERIE: SUPERSYMMETRISCHE TEILCHEN? Symmetrie zwischen Fermionen Bosonen (Materie) (Kraftteilchen) Teilchenmassen GeV!

32 LHC: DER LARGE HADRON COLLIDER Proton-Proton-Kollisionen bei 14 TeV Schwerpunktsenergie Umfang 27 km CMS Atlas LHCB Alice

33 DAS CMS-EXPERIMENT EISENJOCH DES 4 TESLA-MAGNETEN Gewicht: t Kollaboration: Ca Physiker, Ingenieure Davon aus KA ca Institute 35 Staaten Organisiert in CB, MB, FB Detektorkosten ca. 535 MSFr. Hergestellt in der Werft Deggendorf 215 m2 Siliziumstreifendetektoren mit 10 Mio elektronischen Kanälen, ausgelesen mit 40 MHz Kosten ca. 75 MSFr

34 DER BAU DES SPURDETEKTORS AM KIT Zeiss-Messmaschine Mikrobondgerät Intern. Vorbereitungstreffen Probestation 22% vom CMS-Tracker Strahlhärtetests am FZK Zyklotron Bau der Großmodule Petal (102 Stück)

35 DATENMENGEN AM LHC 40 MHz ; 10 9 Ereignisse/s = 1 PetaByte/s Online-Datenreduktion Datenspeicherung 100 Hz ~1 PetaByte/Jahr (1,4 Millionen CD) LÖSUNG: DAS GRID KIT: GridKa (Tier 1) CampusGrid (Tier 2-3)

36 SIMULATIONSSTUDIE ZUM NACHWEIS EINES HIGGSBOSONS Simulation eines Ereignisses Der Prozeß ERWARTETES SIGNAL AM LHC

37 AUSBLICK DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINEN DER NATUR IST PHILOSOPHISCHES ANLIEGEN SEIT MENSCHENGEDENKEN WIE WIR DIE FRÜHEREN KULTUREN BEURTEILEN, WERDEN AUCH WIR SPÄTER AN UNSEREN ERKENNTNISSEN GEMESSEN WERDEN UNSERE FORSCHUNG IST VERKNÜPFT MIT DER AUSBILDUNG UND DER SUCHE NACH ANWENDUNGEN IM TÄGLICHEN LEBEN Diese Forschung wird in Deutschland großzügig gefördert durch das BMBF (Verbundforschung), die DFG, Länder, EU

38 EINE KARLSRUHER DIPLOMANDIN

39 WEITERE BILDER VOM BAU VON CMS

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54 CENTRUM FÜR ELEMENTARTEILCHENPHYSIK UND ASTROTEILCHENPHYSIK CDF CMS CETA GRID THEORIE AMS