50 Jahre. Teilchenphysik bei CERN in Genf. K. R. Schubert, TU Dresden Ringvorlesung Naturwissenschaften, 13/1/05. Titelseite

Transkript

1 K. R. Schubert, TU Dresden Ringvorlesung Naturwissenschaften, 13/1/05 50 Jahre Titelseite Teilchenphysik bei CERN in Genf 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 1

2 Geburtstagsfeier am Foto Geburtstagsparty in Genf (Schweiz) 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 2

3 Der König Foto Spanischer von Spanien König gratuliert 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 3

4 Foto 2 König...und hört aufmerksam zu 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 4

5 Foto Chirac Der französische Präsident staunt 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 5

6 . Der Präsident Foto der Joseph Schweiz Deiss. trägt sich ins Gästebuch ein, und der CERN-Generaldirektor ist stolz 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 6

7 Was bedeutet CERN? zu Beginn seiner Geschichte (Vorgespräche begannen 1950 unter dem Dach der UNESCO): Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Europäischer Rat für Kern-Forschung), Heute: Europäisches Labor für Teilchenphysik. Das Labor liegt bei Genf an der Grenze Schweiz - Frankreich, es wird von 20 europäischen Staaten betrieben, hat 3000 Mitarbeiter, dazu 6000 Gäste aus über 80 Ländern. Hauptarbeitsgebiete: Experimente zur Teilchen-, Kern- und Atomphysik, Theoretische Teilchenphysik und Kosmologie, Beschleunigerphysik und -technologie, Detektorentwicklung, Neue Datenverarbeitungsmethoden, auch etwas Energieforschung. 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 7

8 Satellitenfoto 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 8

9 Foto 1 aus der Luft 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 9

10 Foto 2 aus der Luft 1999: 20. Mitglied Die 20 Mitgliedsstaaten des CERN 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 10

11 Warum Forschung über Elementarteilchen? (Warum dafür dieser große Aufwand?) Menschen sind von Natur aus neugierig, stellen Fragen über die Natur. Natur ist vielfältig, schön, kompliziert - und gelegentlich auch einfach. Einfache Fragen haben gelegentlich einfache Antworten und dringen dann besonders weit in die Geheimnisse der Natur vor. Eine einfache Frage war schon immer: Woraus, aus welchen Bausteinen, bestehen wir und die Natur? Symmetrie Struktur Atome Atomvorstellung seit Demokrit 400 v. Chr. Proust 1801 und Dalton 1807: 2 kg H + 16 kg O 18 kg H 2 O Avogadro 1811: 16 kg O enthalten N A O-Atome Maxwell und Loschmidt 1865: N A / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 11

12 Heute sehen wir Atome z. B. auf dem Dresdner Triebenberg mit Prof. Lichtes Elektronenmikroskop. Goldkristall besteht aus Gold-Atomen, Abstand = Größe = 0,25 nm. 1 nm = 10-9 m = 1mm / , 4 Mio Gold-Atome auf 1 mm. 1 fm 1 pm 1 nm 1 µm 1 mm Meter Meter 10-3 Wasserstoff- (H-) Atom Wasserstoff- Atomkern (p) 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 12

13 Ein Atom besteht aus Atomkern und Elektronen (Lenard, Rutherford, Geiger ) Chemische Reaktionen ordnen Elektronen um: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O In chemischen Reaktionen bleiben die Atomkerne erhalten. Aber ~1930: Al + H Mg + He Kernreaktion schon ~1900: U Th + He Kernzerfall Atomkerne bestehen aus Protonen (p) und Neutronen (n), Al = 13 p + 14 n, H = 1 p + 0 n, Mg = 12 p + 12 n, He = 2 p + 2 n. In Kernreaktionen bleiben Protonen und Neutronen erhalten, p, n, e(elektronen) und γ (Photonen) sind Elementarteilchen sind nur diese vier bekannt. 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 13

14 Entdeckung weiterer Elementarteilchen Anderson 1932 nach Vorhersage durch Dirac 1928: Positron e + e + ist Antiteilchen des e -, Eigenschaften gleich bis auf q(e + ) = - q(e - ). 1935: n p + e - + ν, Neutrino ν. Protonen- und Neutronenzahl nicht erhalten. Kunze und Anderson 1937: Myonen µ - und µ + Entdeckung mit Nebelkammer Heute hier gezeigt in in der Höhenstrahlung: einer Funkenkammer: Energie der µ an der Erdoberfläche: MeV=e V GeV=e V 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 14

15 und noch mehr an Teilchenbeschleunigern MeV: p + p p + n + π +, π + µ + + ν 1 GeV: p + p p + p + π + + π + π 0 π - + p 0 n + γ 3 GeV: p + p p + p + ω, ω π + + π - + π 0 Schnelle Zunahme der Zahl der Elementarteilchen durch Experimente an Beschleunigern in den USA. Verpasst Europa die Chance, weiter an dieser Front der Forschung mitzuarbeiten? Mit steigender Energie werden 1) wg. λ m. GeV / E Größen immer kleinerer Objekte messbar, 2) wg. E = m. c 2 Teilchen immer größerer Masse erzeugt. 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 15

16 Beschleunigungsprinzipien: 1. Elektrostatische Beschleunigung geladener Teilchen (e, p, Ionen) wie in der Video-Röhre des Fernsehers. Höchste erreichbare Energien ~ 10 MeV mit dem Bandgenerator. 2. Hochfrequenz- Beschleunigung im HF-Linearbeschleuniger. Wideröe Fortschritt: Durchlaufen vieler Beschleunigungsstrecken, ohne gegen das Erdpotential auf unerreichbar hohe Potentiale zu gelangen. Elektronen heute bis ~ 100 GeV. 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 16

17 Beschleunigungsprinzipien 2: Der Ringbeschleuniger Synchrotron beschleunigt Protonen bis auf heute ~ 1000 GeV = 1 TeV, Elektronen bis auf ~ 100 GeV. Fortschritt: Die gleiche Beschleunigungsstrecke kann mehrfach durchlaufen werden. Optimierung: Mehrere Beschleunigungsstrecken entlang des Ringes. 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 17

18 und noch mehr an Teilchenbeschleunigern MeV: p + p p + n + π +, π + µ + + ν 1 GeV: p + p p + p + π + + π + π 0 π - + p 0 n + γ 3 GeV: p + p p + p + ω, ω π + + π - + π 0 Schnelle Zunahme der Zahl der Elementarteilchen durch Experimente an Beschleunigern in den USA. Verpasst Europa die Chance, weiter an dieser Front der Forschung mitzuarbeiten? Als CERN geplant und 1954 gegründet wurde, gab es 20 elementare Teilchen und 3 fundamentale Kräfte (dazu noch die Schwerkraft) kam das Antiproton (p) dazu, das Antiteilchen des Protons, produziert in Berkeley (USA) an einem 6 GeV p-beschleuniger. 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 18

19 Die drei fundamentalen Kräfte Elektrische Kraft: verantwortlich für chemische Reaktionen und auch für die Bindung der Atome, p + e - H, He -Kern + 2 e - He... Die Quantenelektrodynamik beschreibt diese Kraft streng und erfolgreich durch den Austausch von Kraftträgern, den Photonen γ. Starke Kraft: verantwortlich für Kernreaktionen und auch für die Bindung der Atomkerne, 2p + 2 n He - Kern... Austauschteilchen? Schwache Kraft: ladungsändernd, verantwortlich für p-n-umwandlung, auch für die Sonnenenergie 4 p He - Kern + 2 e ν + Energie. Zu schwach für Bindungen. Austauschteilchen? (muss geladen sein) 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 19

20 Das Protonensynchrotron PS wird CERNs erster großer Teilchenbeschleuniger. Soll mehr Wissen über die fundamentalen Kräfte bringen, soll mehr Elementarteilchen finden und ihre Eigenschaften präzise bestimmen. Bauzeit E 25GeV. Rekord 1959: 10 GeV in Dubna (SU). Mit steigender Energie werden 1) wg. λ m. GeV/E Größen immer kleinerer Objekte messbar, 2) wg. E = m. c 2 Teilchen immer größerer Masse erzeugt. Ringbeschleuniger, Umfang 600 m, Magnete halten Protonen auf Kreisbahn im Vakuum, elektrische Wechselspannung (mit Radiofrequenz) beschleunigen sie. 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 20

21 Foto PS 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 21

22 Erste Experimente am PS ab 1959 finden durch Proton - Kern - Stöße viele neue Teilchen, Mesonen ρωφηk K* a 1 a gibt es mehr als 100 Elementarteilchen. Starke Kraft vielfältig und unverständlich. Sehr bald auch Experimente zur schwachen Kraft. Nicht mit Protonen, sondern mit Sekundärstrahlen p + p π + + X, π + µ + + ν, ν? Neutrinos spüren keine starke und elektrische Kraft, nur die schwache, sie durchdringen dicke Materiestrecken fast ohne jede Reaktion: p- Strahl Target π ν µ ν - Strahl µ Kernfragmente Absorber Funkenkammern 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 22

23 Absorber war die Stahlreserve der Schweizer Armee p- Strahl Target π µ Absorber 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 23 ν µ Kernfragmente Funkenkammern, so wie die hier im Hörsaal. Ergebnisse: Es gibt vier verschiedene Sorten Neutrinos, Neutrinos aus π + -Zerfall (ν µ ) erzeugen immer nur µ - Neutrinos aus π - -Zerfall (Å µ ) erzeugen immer nur µ + Sonnen-Neutrinos (ν e ) erzeugen immer nur e - Reaktor-Neutrinos (Å e ) erzeugen immer nur e + Entdeckung leider ein Jahr vorher (1962) in Brookhaven (USA), Nobelpreis 1988 an Lederman, Schwartz und Steinberger.

24 Photo KRS 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 24

25 Mein erstes Experiment im CERN ( ) Bis 1964 waren immer mehr Antiteilchen entdeckt worden. Zu jedem Teilchen gehört ein Antiteilchen wie e + zu e -. Ausnahmen sind nur die, die ihre eigenen Antiteilchen sind: γ, π 0, ω... Bis 1964 galt perfekte Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen. z. B. hat µ + e + ν e exakt gleiche Zerfallsrate wie µ - e - Å e Entdeckung, wieder in Brookhaven (USA), dass K 0 π + π - ein anderes Zerfallsgesetz zeigt als K 0 π + π untersuchten wir (eine 7-Physiker-Gruppe) die Zerfälle K 0 π 0 π 0 und K 0 π 0 π 0 und fanden die gleiche Symmetriebrechung ( CP-Verletzung ). Nobelpreis 1980 an Cronin und Fitch. 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 25

26 Blasenkammerbild 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 26

27 Die erste große Entdeckung im CERN (1973) p- Strahl Target π ν µ ν - Strahl µ Kernfragmente Absorber Funkenkammern Blasenkammer ν µ +e - ν µ +e - zusätzlich zu, wie bekannt, ν µ +e - µ - + ν e, in diesem Experiment auch gesehen: ν µ +Kern ν µ + Kernfragmente. Neutrale schwache Kraft zusätzlich zur geladenen schwachen Kraft. Seit 1973 vier fundamentale Kräfte zwischen elementaren Teilchen: elektrische, starke, geladene schwache, und neutrale schwache Kraft. Vier Austauschteilchen mit gemeinsamer Theorie? 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 27

28 Die Protonenspeicherringe ISR werden CERNs zweiter großer Teilchenbeschleuniger. Dieser soll zu noch viel höheren Energien vordringen, mit neuer Methode E eff = 60 GeV, 30 GeV 30 GeV statt E eff 8 GeV. 30 GeV 1 GeV Bauzeit Umfang ~1 km Einweihung 1972 mit Heisenberg: 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 28

29 Der Split-Field-Magnet am ISR 1973 mit Charpak- Kammern SFM 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 29

30 Der Split-Field-Magnet (SFM) war 1973 das erste große Experiment am CERN mit rein elektronischer Erfassung von Teilchenspuren. Die Computertechnik revolutioniert die Spurerfassung, hier mit 10 Charpak -Kammern, jede so groß wie vorher nur die Funkenkammern des ν µ -Experimentes ( 4 m 2 ) und jede mit 2000 Drähten, an jedem Draht ein Verstärker und ein Kodierschaltkreis. Dafür erhielt G. Charpak 1992 den Nobelpreis. Mehrere Experimente am SFM, z. B. (a) mein zweites Teilchenphysikexperiment, p+p p+p, p+p+π + +π -... (b) Jets weisen deutlich auf die Quark- Struktur der Protonen hin. 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 30

31 Die Quark-Struktur der hadronischen Elementarteilchen wurde 1964 von Gell-Mann entdeckt und nach und nach durch Experimente gefestigt. Jets am SFM, Jets bei DESY in Hamburg, die Entdeckung des Gluons bei DESY und die Entdeckung 1974 des J/ψ -Teilchens in Brookhaven und am SLAC (USA) [1975 sehen wir es auch am SFM] ergeben folgendes Bild p u g n u g p ʉ g K u 0 d ʉ K g 0 g g g g g g g d d d s d s d J/ψ m g c c und das Periodensystem der fundamentalen Teilchen (Stand seit 95): L B Q Teilchen Antiteilchen Q B L ν e ν µ ν τ e - µ - τ - Å τ Å µ Å e τ + µ + e /3 1/3 +2/3-1/3 u c t d s b ŧ c ʉ b s d -2/3 +1/3-1/3-1/ / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 31

32 Fundamentale Teilchen und fundamentale Kräfte Teilchen Antiteilchen Leptonen l - ν e ν µ ν τ Å τ Å µ Å e Anti-leptonen l + e - µ - τ - τ + µ + e + Quarks q u c t d s b ŧ c ʉ b s d Anti-quarks q l - und l + existieren als freie Teilchen, q und q nur gebunden in Kombinationen qqq, qqq und qq. q und q spüren die starke, die elektrische und die schwache Kraft, l - und l + spüren die elektrische und die schwache Kraft, ν und Å spüren nur die schwache Kraft. Austauschteilchen der elektrischen Kraft ist Photon γ, Einstein 1905, Austauschteilchen der starken Kraft ist das Gluon g, DESY Austauschteilchen der geladenen und der neutralen schwachen Kraft? 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 32

33 Der Superbeschleuniger SPS und der Collider SppS werden CERNs dritter großer Teilchenbeschleuniger. Bauzeit , Umfang 6,6 km. Das SPS bringt p auf 300 GeV, E eff (pp) 24 GeV, das SppS speichert p und p von je 300 GeV, E eff (pp) 600 GeV gelingt CERN mit dem SppS der große Wurf, die Entdeckung der Austauschteilchen W +,W - (geladene) und Z 0 (neutrale schw. Kraft). u + d W + e + + ν e d + ʉ W - e - + Å e u + ʉ Z 0 e - + e + m(w,z) 90 GeV. Deshalb brennt die Sonne langsam Nobelpreise für Rubbia und van der Meer 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 33

34 Der Elektron-Positron-Speicherring LEP wird CERNs vierter großer Teilchenbeschleuniger. 45 GeV e - 45 GeV e + Bauzeit , Umfang 26,7 km. e + e - Z 0 qq, l + l -, νå 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 34

35 Vier LEP-Experimente mit je 400 Physikern, e + e - Z 0 qq,ll und ab GeV e GeV e + e + e - W + W -, W + qq, l + ν Wichtigste Ergebnisse: (a) Es gibt nur drei leichte Neutrinos ν e ν µ ν τ. (b) Bisher keine weiteren fundamentalen Teilchen. (c) Bisher keine weiteren fundamentalen Kräfte. (d) Die vereinheitlichte Theorie von elektr. und schw. Kraft wird sehr genau bestätigt, Hinweise auf H-Teilchen mit m H GeV. (e) q,l,γ,g,w,z sind < m groß. [Kerne m, Atome m]. 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 35

36 Der nächste Schritt CERNs fünfter großer Teilchenbeschleuniger soll der Large Hadron Collider LHC werden GeV p 7000 GeV p Bauzeit Neue Maschine im alten LEP-Tunnel, supraleitende Magnete, Kreisumfang 26,7 km. Wozu? Außer Neue Teilchen? Neue Kräfte? zwei gezielte Fragen: (a) Das Standardmodell enthält fundamentale Teilchen mit Masse 0. Teilchen ν e ν µ ν τ e - µ - τ - u c t Antiteilchen Å τ Å µ Å e τ + µ + e + ʉ c ŧ Kraftträger g γ W + W - Z 0 Massenerzeuger H (?) Dafür braucht es einen Massenerzeuger, das Higgs- d s b d s b Teilchen H. Existiert es und was ist sine Masse m H? (b) Mit diesem H-Teilchen erhält das Modell ein Problem. m H kann nur bei 300 GeV liegen, wenn zu jedem fundamentalen Teilchen ein supersymmetrischer Partner gehört. Gibt es diese Supersymmetrie und welche Massen haben die Partnerteilchen? 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 36

37 Vier Experimente am LHC Zwei große Experimente der Teilchenphysik mit je 1000 Physikern, ATLAS und CMS. Hauptziele: Higgs-Teilchen und Supersymmetrie. CMS Ein großes Experiment der Hadronenphysik, 15m LHCb zur Untersuchung von Hadronen mit b-quarks, besonders CP-Verletzung. Ein großes Experiment der Kernphysik, ALICE, 22m Gold - Gold - Stöße zur Untersuchung von Kernmaterie unter extremen Bedingungen. 13 / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 37

38 Was sonst noch am Geburtstag erwähnenswert ist CERN war von Anfang an Vorbild für viele weitere europäische Organisationen. Erfolgreiche internationale Zusammenarbeit, heute weltweit. Wenig heute über Theoretische Physik berichtet. CERN auch darin sehr aktiv wachsende Bedeutung der Kern-u.Teilchenphysik für die Kosmologie. CERN ist die Wiege des WWW entstanden aus der Notwendigkeit der Teilchenphysiker, innerhalb einer Gruppe Informationen auszutauschen und darüber gemeinsam an mehreren Orten zu diskutieren. Tim Berners-Lee / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 38

39 Was sonst noch zum Geburtstag gehört: Herzlichen Glückwunsch, CERN, auch von uns aus Dresden und noch viel Erfolg in den nächsten 50 Jahren! Zur Information: Die Teilchenphysik-Gruppe der TU Dresden arbeitet zur Zeit nicht am CERN, aber könnte dies in den nächsten Jahren wieder tun, wie zur Zeit die meisten der ~ 20 deutschen Gruppen der experimentellen Teilchenphysik. und mein Dankeschön für alle in diesem Vortrag gezeigten Photographien an CERN Photolab und CERN Document Server: S. 4-8, 10-12, 19, 20, 23, 25-28, 32-34, 36, 37 Dr. M. Lehmann, Triebenberg-Labor, TU Dresden: S / 01 / 05 K. R. Schubert, Ringvorlesung Naturwissenschaften 39