Physik V Einführung: Kern und Teilchenphysik

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1 Physik V : Kern und Teilchenphysik Georg Steinbrück, Dieter Horns Universität Hamburg Winter-Semester 2007/2008

2 Inhalt 1: Übersicht 1.1 Skalen, Quanten, Kräfte 1.2 Kurze Übersicht Kern- und Teilchenphysik 1.3 Kernphysik 1.4 Methoden der Kern- und Teilchenphysik WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 2

3 Literaturempfehlungen Kernphysik: T. Mayer-Kuckuk: Kernphysik (Teubner) Teilchenphysik: Standardwerk über Kernphysik E. Lohrmann: Hochenergiephysik (Teubner, 2005) experimentell, gut, ausführlich, aktuell Ch. Berger: Elementarteilchen (Springer 2001) experimentell, gut, ausführlich, aktuell Martin, Shaw: Elementary Particle Physics (Wiley) relativ einfache Experimentelle, aktuell, knapp Halzen, Martin: Quarks and Leptons (Wiley) theoretische Ergänzung, kurz und gut D. Grifith: Introduction to Elementary Particle Physics theoretische Ergänzung, gut, vieles wird explizit gerechnet Donald H. Perkins, Introduction to High Energy Physics (Oxford) Standardwerk Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Teilchen und Kerne (Springer) schöne, einfache Aussserdem: Frauenfelder und Henley: Teilchen und Kernphysik (Oldenbourg Verlag) Standardwerk, aber etwas veraltet WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 3 Als Abendlektüre: Steven Weinberg: Die ersten 3 Minuten

4 weitere Literatur Particle Physics Booklet, Particle Data Group, extracted from Review of Particle Physics, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 33 (2006); Synchrotronstrahlung: Beugungsbild eines Biomoleküls WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 4

5 1.1 Skalen, Quanten, Kräfte Größe in Atomen in Metern Typische Energien Atomphysik ev = 1.6x10-19 J n p n n p p Kernphysik kev MeV p q e GeV Teilchenphysik TeV (Elementar)Teilchen Wechselwirkungen WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 5

6 Kern und Teilchenphysik Zum Vergleich: Atom- und Festkörperphysik: Längenskalen >10-10 m Quantenmechanik: Schrödingergleichung mit Elektrodynamik, Vielteilchensysteme Teilchen/ Kernphysik: Längenskalen < m m Unschärferelation: kleine Abstände große Energien Quantenmechanik, spezielle Relativitätstheorie relativistische Quantenfeldtheorie Elementarteilchenphysik: Ziel: Auffinden der elementaren (=strukturlosen) Bausteine: Proton u u d Quark Untersuchung ihrer Eigenschaften Untersuchung der Kräfte, die zwischen den Teilchen wirken: Starke + schwache Kraft neu allgemeine Theorie, Grundlagenforschung WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 6

7 1.2 Kern und Teilchenphysik: Übersicht 3 Familien von je zwei Quarks (q) Kommen nur in gebundenen Zuständen vor! - qq (Mesonen) und qqq (Baryonen) Baryonen Mesonen 3 Familien von je zwei Leptonen (e -,ν e ) Fermionen: Spin 1/2 Proton Neutron WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 7

8 Fundamentale Wechselwirkungen Kräfte vermittelt durch Austauschteilchen. Bosonen: Haben geradzahligen Spin Form der Kräfte folgt aus Symmetrieprinzip (Eichinvarianz) Ziel: Konsistente Theorie, die mit möglichst wenigen Parametern auskommt. WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 8

9 Elementare Bausteine der Materie Teilchen Antiteilchen Leptonen: ν e ν µ ν τ e µ τ Ladung ν e ν µ ν τ e + µ + τ u c t u c t Quarks: d s b d s b Symmetrie: Ordnung in jeweils 3 Familien (vergl. Periodensystem) Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit: gleicher Masse entgegengesetzter Ladung WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 9

10 Wechselwirkungen und Symmetrien Wechselwirkungen unterscheiden sich durch ihre Stärke, Reichweite und Erhaltungsgrößen. Verbindung von Symmetrie Erhaltungsgröße Noether-Theorem Zeitverschiebung Ortsverschiebung Drehung Energieerhaltung Impulserhaltung Drehimpulserhaltung Analog: Ladung, Leptonenzahl, Baryonenzahl für alle WW erhalten(?) Quantenzahlen Motivation Quantenzahlen: Beispiel Baryonenzahl Das Proton (leichtestes Baryon) ist stabil (τ>10 31 a) Beoachtet wird Neutron beta-zerfall: Aber nicht: n n p + e p + e + ν e + ν e WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 10

11 Baryonenzahl Beoachtet wird: p, n wird Baryonenzahl B=+1 zugeordnet p n wird Baryonenzahl B=-1 zugeordnet Baryonenzahl additiv, B ein =B aus beobachtet wird oder Photon, Meson, (W, Z, g) haben B=0 Das ganze ist konsistent, wenn Baryonen (qqq) B=1 pp p + p + p + pp 0 π pp p pp γpp B( q) = 1 3 B( q) = Mesonen ( qq) B=0 1 3 WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 11

12 Leptonenzahl Beoachtet wird: nicht aber Leptonenzahl ( e ( µ, ν ) : e, ν ) : ( τ, ν ) : τ µ L e µ e ν eν µ µ e γ = 1, L µ = 0, L τ = Erlaubt durch Energie-, Impuls, Drehimpulserhaltung Alle anderen Teilchen haben Leptonenzahl L=0. Leptonenzahl additiv. Es gilt auch hier: L ein = L aus WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 12

13 Weitere Erhaltungsgrößen Folgende Größen sind nur zum Teil erhalten: Flavourquantenzahlen Isospin, Charm, Beauty, Top Nicht in allen WW erhalten Allgemein gilt: Je stärker die WW, desto mehr Quantenzahlen sind erhalten. Raum-Zeit, Teilchen-Antiteilchen Symmetrie/ Quantenzahlen: P Parität (Raumspiegelung) C Ladungskonjugation T Zeitspiegelung Und Kombinationen wie CP, CPT. Bemerkung: CPT immer erhalten! WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 13

14 Zusammenfassung aktueller Stand WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 14

15 Stabile Teilchen WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 15

16 Das Standardmodell der Teilchenphysik WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 16

17 Das Standardmodell der Teilchenphysik Beschreibt das gesamte exp. Wissen, in Bereichen, wo Theorie ausgerechnet werden kann. Vorhersagen! Bisher noch keine ernsthaften Widersprüche Experiment Theorie! Alle Kräfte folgen aus einheitlichem Prinzip Beschreibung der Massen der Elementarteilchen möglich. Aber: Higgs-Teilchen noch nicht gefunden. >20 freie Parameter (experimentel bestimmt) viel für elementare Theorie 3 Teilchenfamilien, 3+1 WW Massen der Elementarteilchen sehr unterschiedlich: m top /m e ~400000: Warum? Unterschied der Kräfte: em/grav= Einbindung der Gravitation noch nicht gelungen. Standardmodell erster Schritt. Nicht endgültige Theorie. WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 17

18 1.3 Kernphysik Nuklidkarte: >6000 Kerne, ~300 stabil Aufbau der Kerne-Grenzen der Stabilität WW zwischen Nukleonen, Rest-WW der gebundenen gg-zustände Kernmaterie unter hohem Druck: Ursprung der Materie, Quark-Gluon Plasma Vielkörperprobleme kompliziert, nicht analytisch zu lösen. Schwierig, fundamentale Gesetze zu finden. Zahlreiche Anwendungen WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 18

19 1.4 Methoden der Kern- und Teilchenphysik Exp. Ergebnisse Beschreibung durch Modelle, Theorie Vorhersage neuer Experimente enge Zusammenarbeit Experiment-Theorie wesentlich Entdeckungen als Überraschung: Messgeräte in neuem Bereich Bsp. Röntgenstrahlen, J/Ψ-Teilchen, CP-Verletzung Entdeckungen aufgrund theor. Vorhersagen: Antiproton, P-Verletzung, W, Z Bosonen, Higgs-Teilchen?, Supersymmetrie? Experimente meist an Teilchenbeschleunigern HERA ep-beschleuniger am DESY WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 19

20 Methoden der Kern- und Teilchenphysik An Großexperimenten in großen Kollaborationen: Bsp Zeus/ Hera Enge Verknüpfung mit Theorie: Phenomenologie, Modellbildung, Vorhersagen Enge Verbindungen zu Kosmologie, Astrophysik, Mathematik, Informatik WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 20

21 Beschleuniger: Beispiel LHC am CERN CERN WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 21

22 Das CMS Experiment am CERN CMS Teil des CMS Silizium Spurdetektors: Hamburger Beteiligung an Aufbau und Inbetriebnahme WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 22

23 Das CMS Experiment am CERN WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 23

24 Das Higgs Boson bei CMS Gluonen aus Protonen: gg H Higgs Entdeckung unvermeidbar (falls es existiert) WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 24

25 Ein Higgs Ereignis bei CMS WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 25

26 Historische Entwicklung (willkürliche Auswahl) Experiment Theorie 1895 Röntgen Röntgenstrahlen 1896 Becquerel Radioaktivität 1897 Thomson Elektron (e/m) 1911 Rutherford Atomkern 1922 Compton Compton Effekt 1932 Chadwick Neutron 1932 Anderson Anti-Elektron 1937 Anderson, Neddermayer Myon 1939 Hahn, Straßmann Kernspaltung 1952 Fermi, Anderson Nukleonresonanzen 1955 Chamberlain, Segre+ Anti-proton 1956 Reines,Cowan Neutrino 1964 Cronin, Fitch CP-Verletzung 1968 SLAC Quarks in ep-ww 1974 Richter,Ting J/ψ-Teilchen 1974 Ledermann Υ-Teilchen 1979 DESY Gluon 1983 CERN W-Z-Teilchen 1989 CERN No. Neutrinos = FNAL Top-Quark 1998 Japan Neutrinooszillation 1998 GSI Kern mit Z= FNAL τ-neutrino 1900 Planck Wirkungsquantum 1905 Einstein Photon, E=mc Dirac Antimaterie 1932 Heisenberg Isospin 1933 Pauli Neutrino 1934 Fermi Theorie β-zerfall 1935 Yukawa Mesonen-hypothese der Kernkraft 1935 Weizsäcker Kern-Massenformel 1949 Tomonaga, Feynman, Schwinger QED 1949 Göppert-Mayer, Jensen Schalenmodell Kern 1956 Lee, Yang Paritätsverletz Gell-Mann, Zweig Quark-hypothese 1964 Glashow,Weinberg,Salam Elektroschwache Verein Fritzsch, Gell-Mann QCD 1973 Green, Politzer, Wilczek Asymptotische Freiheit WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 26

27 Anwendungen Abfallprodukte der Kern- und Teilchenphysik WWW + grid Computing Beschleuniger und Nachweismethoden in Festkörperphysik, Materialwissenschaften Chemie, Biowissenschaften Medizin (Therapie und Diagnose) Energie Gasdetektor für Röntgenanalyse Synchrotronstrahlung: Beugungsbild eines Biomoleküls Strukturbestimmung Biomolekül Fledermaus: Radiographie 9 kev Photonen WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 27

28 Kern- und Teilchenphysik im frühen Universum Beobachtung: Universum expandiert Anfangszustand großer Dichte, hoher Temp. Urknall Thermodynamik im sehr frühen Universum Reaktions-Gleichgewicht aller Prozesse, für die bei dieser Temp. genug Energie vorhanden ist. z.b. e+p H+γ γ+h e+p E γ >13.6 ev z.b. 4p He ++ E~MeV Synchrotronstrahlung: e + e - tt E ee >m top c 2 = 175 GeV, ½ kt = E ee T=10 26 K Beugungsbild eines Biomoleküls Zeit seit Urknall: s Teilchen und Kernphysik (Quantenmechanik) bestimmen Entwicklung des Universums Experimente der Kosmologie beeinflussen Teilchenphysik kosmische Hintergrundstrahlung großräumige Strukturen im Kosmos Dunkle Materie kosmologische Konstante WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 28

29 Kern- und Teilchenphysik im frühen Universum Synchrotronstrahlung: Beugungsbild eines Biomoleküls WS 2007/08 Steinbrück, Horns: Physik V 29