Untersuchung der kleinsten Teilchen mit den größten Maschinen

Transkript

1 Kern- und Teilchenphysik 1 - WS 2018/19 Untersuchung der kleinsten Teilchen mit den größten Maschinen Struktur der Materie Elementare Teilchen; fundamentale Wechselwirkungen Der Large Hadron Collider, LHC (CERN, Genf) Das Quark-Gluon Plasma im ALICE Experiment Hochschultag, so geplant

2 ...aber so gehalten 2

3 Was ist Kern- und Teilchenphysik? 3 Physik der Atomkerne und der Bausteine der Materie (Elementarteilchen) Leptonen und Quarks (Fermionen, Spin 1/2) Physik der Starken und Schwachen Wechselwirkungen (Kräfte) (Kräfte die mit der Entwicklung der Kernphysik kamen) durch den Austausch von Vektorbosonen (Teilchen mit Spin 1) Es gibt wichtige Anwendungen der Kern- und Teilchenphysik

4 Licht und Materie...ist was wir sehen und spüren (messen) 4 Licht: Welle und Teilchen (Photoelektrischer Effekt; Einstein, Nobelpreis, 1921) Materie: Moleküle, Elementen (Anordnung, Periodensystem: Mendeleev, 1869)...in verschiedene Aggregatzustände: Fest, Flüssig, Gasförmig

5 Die Elemente 5 Wikipedia Stabile Elemente: Türkis Stabilität und Zefälle (α,β,γ), Kernspaltung, Kernfusion sind durch Kern u. Teilchenphysik erklärt (Anordnung Periodensystem: Atomphysik)

6 Häufigkeit der Elemente Häufigkeit der Elemente im Sonnensystem, normiert auf 10 6 bei Si 6 Spektrum Akademischer Verlag

7 Das Atom 7 Wikipedia (Stylised atom with three Bohr model orbits and stylised nucleus.png) Der Atomkern (entdeckt 1912, Rutherford) trägt beinahe die gesamte Masse Ein schönes Bild, aber falsch in verschiedenen Aspekten

8 Tief in den Nukleonen 8 Proton Neutron Pion (mc 2 =139.6 MeV) Baryonen: p, n, etc.; Mesonen: π, K, etc. (alle: Hadronen) Quarks sind nie frei beobachtet...confinement-prinzip; Rätsel der Natur Quarkmasse-Beitrag zur Gesamtmasse ist ein kleiner Bruchteil ( 1%)

9 Die Kernkraft...eine sehr starke, anziehende Kraft ( farb-kraft ) bindet sowohl (farbige) Quarks in Protonen, Neutronen als auch Protonen, Neutronen in Atomkern...darf nur über einen kurzen Abstand wirken (ist kurzreichweitig) 9 ist eine Restwechselwirkung zwischen Nukleonen (farbneutrale Teilchen) (änlich wie Van-der-Waals Kräfte)

10 Fundamentale Wechselwirkungen - Feynman-Diagramme 10 Hyperphysics + Gravitation... α s : α em : α schwach : α grav 1 : 10 2 : 10 6 : Raum-Zeit (x-y) Diagramme (Übertragung von Energie und Impuls) Farbladung (nur Quarks u. Gluonen); Schwache Ladung (Quarks und Leptonen)

11 Die Bausteine der Materie u. Austauschbosonen 11 Wikipedia Jedes Quark/Lepton hat Antiteilchen (gleiche Masse, entgegengesetzte Ladung)

12 Das Proton mit höherer Auflösung Quantum-Snapshot 12 Röntgen-Bild... Mikroskop : Elektron-Beschleuniger Je höher die Energie, desto besser die Auflösung

13 Quarks und Gluonen beobachten 13 a b Quark-Antiquark Paar, a, (+Gluon, b) werden zu Jets aus Hadronen JADE Experiment, e + e Kollisionen, PETRA (DESY Hamburg),

14 .

15 Quark-Gluon Plasma im Labor 15 Die Idee: Kompression und Erhitzung von Kernmaterie (schwere Atomkerne)

16 Wie simulieren wir das Universum im Labor?...durch hochenergetische Blein-Blei-Kerne Kollisionen 16 initial state QGP and hydrodynamic expansion hadronic phase and freeze-out pre-equilibrium hadronization Sehr kurzlebig und sehr winziges Quark-Gluon Plasma Objekt Direkt zu messen, ist nicht möglich t s, V m 3

17 Die Beschleuniger am CERN 17

18 Die Beschleuniger am CERN 18

19 Der Large Hadron Collider am CERN 19 Das proton kreist in dem 27 km Ring ca mal pro sekunde umgeleitet durch supraleitende Magneten (Blau) bei T =1.9 K (s-l. He) hat das Higgs-teilchen erzeugt...entdeckt durch die ATLAS, CMA=Kollab., 2012 Nobelpreis Higgs, Englert, 2013 LHC Page 1

20 Ein Detektor am LHC - ALICE 20 arxiv: ALICE Collaboration: 41 countries, 176 institutions, 1800 members

21 Ein Teil (nicht so klein:) wurde in Mu nster gebaut...das Letzte von 18 Modulen 21 (ich selbst bin seit 20 Jahre in ALICE beteiligt)

22 Proton-Proton Kollisionen am LHC 22 pp collision at 7 TeV, photographed by ALICE

23 Proton-Proton Kollisionen am LHC 23 pp collision at 7 TeV, photographed by ALICE

24 Blei-Blei Kollisionen am LHC 24 a picture of a central collision (about 3200 primary tracks in η < 0.9); Camera : Time Projection Chamber 5 m length, 5 m diam.; 500 mil. pixels; we take about 500 pictures per second (and are preparing to take 50000)

25 Was wir messen, Beispiel: Temperatur 25 Yield per spin d.o.f π + + K p φ Λ - Ξ - Ω d Pb-Pb s NN =2.76 TeV central collisions Data ( y <0.5), ALICE particles antiparticles 3 He 3 Λ H Statistical Hadronization (T =156.5 MeV) total (+decays) primordial (thermal) 4 He Mass (GeV) Materie und Antimaterie in Gleichgewicht erzeugt...aus Energie, m = E/c 2 log(y ) m T, T 1012 K (156.5±1.5 MeV) T Sonne Übergang von Quark-Gluon Plasma zu Hadronen

26 Gibt es doch Rätsel? 26...eine Menge, trotz der generell ausgezeichneten Übereinstimmung der gemessenen Daten (Beschleuniger und Kosmos, Astroteilchen) mit Theorie Warum 3 Familien von Quarks und Leptonen? Warum haben die so verschiedene Massen? (m e =0.5,m top = MeV/c 2 ; m ν <0.2 ev/c 2 ) Warum 2 Quanten-Familien (Fermionen, Bosonen)? Warum gibt est nur ein einziges Higgs-Boson (und so leicht in Masse)? Warum besteht unseren Universum (anscheinend) nur aus Materie? Gibt es eine große Vereinheitlichung der 4 fundamentale Wechselwirkungen? Warum ist alles so gut/schön feinabgestimmt?...sehr aktiv recherchiert, Experiment und Theorie

27 Extra slides 27

28 Zensus Materie / Energie 28 Was ist Dunkle Materie und was ist Dunkle Energie?

29 Kosmische Microwellenhintergrundstrahlung 29 Photonen (10 9 / Proton) von Materie J. nach Urknall entkoppelt Temperaturschwankungen (10 5 ), Ur-Samen für die 100 Milliarden Galaxien