Ihm zu Ehren: Element 101 Mendelevium

Transkript

1 1. Einleitung

2 Teilchenphysik im 19. Jahrhundert Das Periodensystem der Elemente Dmitri Iwanowitsch Mendelejew Am 6. März 1869 veröffentlichte er das Periodensystem der Elemente unter dem Titel Die Abhängigkeit der chemischen Eigenschaften der Elemente vom Atomgewicht. Dabei wurden die damals bekannten 63 Elemente ansteigend nach der Atommasse in sieben Gruppen mit ähnlichen Eigenschaften angeordnet. Ihm zu Ehren: Element 101 Mendelevium

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5 aus der Optik wissen wir: Objektgröße debroglie: h 2mE

6 2010: )

7 Das Standardmodell der Teilchenphysik Um die Welt des Allerkleinsten zu erklären, geht man heute vom so genannten Standardmodell der Teilchenphysik aus. Es basiert auf drei Grundbestandteilen: Teilchen Kräfte Massen

8 Teilchen Die Elementarteilchen des Standardmodells Am bekanntesten ist die erste der genannten Familien. Sie beinhaltet die Bausteine der Materie, mit der wir es täglich zu tun haben. Die Teilchen der 1. Familie sind: Elektronen sie bilden die Atomhülle und tragen eine elektrische Ladung Neutrinos sie entstehen bei Kernzerfällen und in der Sonne. Man weiß heute, dass sie eine kleine, aber endliche Masse besitzen. Up- und Down-Quarks - sind die Bausteine des Atomkerns Merke: Die Gravitation ist im Standardmodell nicht explizit enthalten Elementarteilchenfamilien

9 Nützliche Einheiten in der Kern- und Teilchenphysik 1 ev Joule E = m c 2 m = E/c 2 [MeV/c 2 ] c 197 MeV fm 21 5

10 Kräfte

11 , Z, W, g

12 E t

13 F C e r 2 2 c 1 r 2

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15 W = ( ) GeV/c2 Z0= ( ) GeV/c2

16 Yukawa-Potenzial: 1 M c ( r) exp( r) r r 0 M WZ, c m s s Selbstwechselwirkung confinement 15 r0 10 m = 1 fm

17 Quark-Antiquark Potenzial V(r) ~ 1/r

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19 Im Allgemeinen können wir Gravitationseffekte wegen der kleinen beteiligten Massen völlig vernachlässigen

20 Das Standardmodell: ein Weg zur Weltformel? Erste Vereinheitlichung von Naturkräften Im Altertum Thales von Milet: geriebener Bernstein kann Staubkörner anziehen Griechische Stadt Magnesia: Kraftwirkung ausgehend von Magneteisensteinen Im 19. Jahrhundert. H.C.Oerstedt: magnetische Wirkung des elektrischen Stroms M. Faraday: Magnetfeld induziert in einem Leiter elektrische Spannung J.C.Maxwell: Maxwell-Gleichungen beschreiben elektrische und magnetische Phänomene

21 Das Standardmodell ist derzeit die beste gemeinsame Beschreibung von elektroschwacher und starker Wechselwirkung. ( Die elektromagnetische Wechselwirkung erscheint im Standardmodell als eine Untergruppe der elektroschwachen Wechselwirkung) Historisch sind die beiden Teile separat entwickelt worden: 1930 ff (elektro)-schwach Fermi-Theorie zum ß-Zerfall Paulis Neutrino-Postulat Wu-Experiment zur Paritätsverletzung stark Neutron Entdeckung anomales magn. Moment d. Protons statisches Quarkmodell seit 1983 Glashow-Salam-Weinberg Theorie der elektroschw. Ww. Entdeckung der neutr. Ströme (Z 0 ) Renormierbarkeit nichtabelscher Theorien asymptotische Freiheit Entdeckung des Gluons Entdeckung von W,Z 0 Standardmodell der elektroschwachen und starken Wechselwirkung

22 Modelle der Großen Vereinheitlichung Ziel einer Theorie der Großen Vereinheitlichung ( Grand Unified Theory GUT ) ist es, die phänomenologisch stark unterschiedlichen elektroschwachen und starken Kräfte und letztlich auch die Gravitation als Resultat eines elementaren Grundprinzips zu verstehen. Planetenbewegung Fallgesetze Gravitation: Newton Einstein Elektrizität Magnetismus Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Maxwell GWS- Modell Standardmodell GUT SUGRA Energieskalen 10 2 GeV

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30 LHC lässt dem Higgs immer weniger Verstecke Stand: Sommer 2011

31 Fazit: Das SM der Teilchenphysik ist überaus erfolgreich aber es ist nicht vollständig! Warum gibt es drei Teilchenfamilien? Massenhierarchie der Teilchen? Quantengravitation/Allgem. Relativitätstheorie? Baryonenasymmetrie im Universum? und was können Präzisionsexperimente mit Neutronen bei niedrigsten Energien zur Klärung dieser Fragen beitragen?

32 Wenn es unbekannte Prozesse bei Energieskalen von M GeV gibt, dann ist der Propagator der gleiche, ob man bei Q 2 = 1neV oder bei Q 2 =10 3 GeV (LHC) arbeitet, denn M 2 1 Q 2 1 M Wichtig ist nur HÖCHSTE PRÄZISION und diese ist am höchsten bei NIEDRIGEN ENERGIEN Genauigkeit (bisher) im Sektor der Neutronenphysik: 2

33 Extra Dimensionen? Nicht-Newton sche Wechselwirkung auf kleinen Skalen

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35 Suche nach einem EDM des Neutrons ( CP-Verletzung) R,D Winkelkorrelationsparameter im ß-Zerfall des Neutrons Suche nach Axion-ähnlichen Teilchen

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37 Winkelkorrelationsparameter: a,a,b

38 Lebensdauer des Neutrons

39 Kosmische Hintergrundstrahlung 85% der Masse mat des Universums ist unbekannt und nicht-baryonisch Suche nach Dunkler Materie

40 From 10 9 years on: Creation of stars and galaxies