Die Grundbausteine des Universums
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- Maximilian Bruhn
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1 Die Grundbausteine des Universums Teilchenwelt Masterclass, KGS Ahlbeck Torsten Leddig Arbeitsgruppe Elementarteilchenphysik 21. Dezember 2011 T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 1 / 50
2 Motivation Warum Grundlagenforschung? Dass ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält! J. W. Goethe, Faust T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 2 / 50
3 Motivation Warum Grundlagenforschung? Dass ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält! J. W. Goethe, Faust Wie ist das Universum entstanden? Woraus besteht unser Universum? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 2 / 50
4 Motivation Warum Grundlagenforschung? Dass ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält! J. W. Goethe, Faust Wie ist das Universum entstanden? Wie ist die Materie entstanden? Wie sind die Strukturen um uns herum entstanden? Woraus besteht unser Universum? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 2 / 50
5 Motivation Warum Grundlagenforschung? Dass ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält! J. W. Goethe, Faust Wie ist das Universum entstanden? Wie ist die Materie entstanden? Wie sind die Strukturen um uns herum entstanden? Woraus besteht unser Universum? Welche Strukturen gibt es im Universum? ( Nebel, Sterne, Galaxien...) Besteht das Universum nur aus der uns bekannten Materie? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 2 / 50
6 Motivation Warum Grundlagenforschung? Dass ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält! J. W. Goethe, Faust Wie ist das Universum entstanden? Wie ist die Materie entstanden? Wie sind die Strukturen um uns herum entstanden? Woraus besteht unser Universum? Welche Strukturen gibt es im Universum? ( Nebel, Sterne, Galaxien...) Besteht das Universum nur aus der uns bekannten Materie? Beobachtung und Untersuchung des Universums! T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 2 / 50
7 Große Skalen Wie ist das Universum entstanden? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 3 / 50
8 Große Skalen Wie ist das Universum entstanden? Die Urknalltheorie erklärt die Entstehung von Raum, Zeit (Raumzeit) und Materie fand vor 13.7 ± 0.2 Milliarden Jahren statt Warum glauben wir das der Urknall stattfand? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 3 / 50
9 Große Skalen Wie ist das Universum entstanden? Die Urknalltheorie erklärt die Entstehung von Raum, Zeit (Raumzeit) und Materie fand vor 13.7 ± 0.2 Milliarden Jahren statt Warum glauben wir das der Urknall stattfand? erklärt die beobachtete Expansion des Universums liefert eine Erklärung der kosm. Hintergrundstrahlung erklärt die beobachtete Elementhäufigkeit ( 1 1H, 2 1H, 4 2He...) T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 3 / 50
10 Große Skalen Wie ist das Universum entstanden? Die Urknalltheorie erklärt die Entstehung von Raum, Zeit (Raumzeit) und Materie fand vor 13.7 ± 0.2 Milliarden Jahren statt Warum glauben wir das der Urknall stattfand? erklärt die beobachtete Expansion des Universums liefert eine Erklärung der kosm. Hintergrundstrahlung erklärt die beobachtete Elementhäufigkeit ( 1 1H, 2 1H, 4 2He...) Verhältnis von Materie zu Antimaterie beim Urknall naive Erwartung: Materie Antimaterie = 1 1 T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 3 / 50
11 Große Skalen Wie ist das Universum entstanden? Die Urknalltheorie erklärt die Entstehung von Raum, Zeit (Raumzeit) und Materie fand vor 13.7 ± 0.2 Milliarden Jahren statt Warum glauben wir das der Urknall stattfand? erklärt die beobachtete Expansion des Universums liefert eine Erklärung der kosm. Hintergrundstrahlung erklärt die beobachtete Elementhäufigkeit ( 1 1H, 2 1H, 4 2He...) Verhältnis von Materie zu Antimaterie beim Urknall Materie naive Erwartung: Antimaterie = 1 1 Beobachten wir Anti-Galaxien...? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 3 / 50
12 Große Skalen Wie ist das Universum entstanden? Die Urknalltheorie erklärt die Entstehung von Raum, Zeit (Raumzeit) und Materie fand vor 13.7 ± 0.2 Milliarden Jahren statt Warum glauben wir das der Urknall stattfand? erklärt die beobachtete Expansion des Universums liefert eine Erklärung der kosm. Hintergrundstrahlung erklärt die beobachtete Elementhäufigkeit ( 1 1H, 2 1H, 4 2He...) Verhältnis von Materie zu Antimaterie beim Urknall Materie naive Erwartung: Antimaterie = 1 1 Beobachten wir Anti-Galaxien...? NEIN! Warum gibt es dann noch Materie? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 3 / 50
13 Große Skalen Wie ist das Universum entstanden? Die Urknalltheorie erklärt die Entstehung von Raum, Zeit (Raumzeit) und Materie fand vor 13.7 ± 0.2 Milliarden Jahren statt Warum glauben wir das der Urknall stattfand? erklärt die beobachtete Expansion des Universums liefert eine Erklärung der kosm. Hintergrundstrahlung erklärt die beobachtete Elementhäufigkeit ( 1 1H, 2 1H, 4 2He...) Verhältnis von Materie zu Antimaterie beim Urknall Materie naive Erwartung: Antimaterie = 1 1 Beobachten wir Anti-Galaxien...? NEIN! Warum gibt es dann noch Materie? CP-Verletzung Materie Beobachtung: = Antimaterie T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 3 / 50
14 Große Skalen Dunkle Energie Die beschleunigte Expansion des Universums T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 4 / 50
15 Große Skalen Dunkle Energie Die beschleunigte Expansion des Universums wir beobachten eine beschleunigte Expansion des Universums Beobachtung von Supernovae T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 4 / 50
16 Große Skalen Dunkle Energie Die beschleunigte Expansion des Universums wir beobachten eine beschleunigte Expansion des Universums Beobachtung von Supernovae Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung (WMAP) T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 4 / 50
17 Große Skalen Dunkle Energie Die beschleunigte Expansion des Universums wir beobachten eine beschleunigte Expansion des Universums Beobachtung von Supernovae Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung (WMAP) mögliche Erklärung: Dunkle Energie T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 4 / 50
18 Große Skalen Dunkle Materie Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien in Abhängigkeit vom Radius Diskrepanz zwischen Beobachtung und Theorie T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 5 / 50
19 Große Skalen Dunkle Materie Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien in Abhängigkeit vom Radius Diskrepanz zwischen Beobachtung und Theorie mögliche Erklärung: Dunkle Materie Materie ohne em-wechselwirkung T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 5 / 50
20 Große Skalen Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie WMAP Daten liefern die Zusammensetzung des Universums: T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 6 / 50
21 Große Skalen Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie WMAP Daten liefern die Zusammensetzung des Universums: 4% normale, sichtbare Materie 22% Dunkle Materie 74% Dunkle Energie T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 6 / 50
22 Große Skalen Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie WMAP Daten liefern die Zusammensetzung des Universums: 4% normale, sichtbare Materie 22% Dunkle Materie 74% Dunkle Energie Welchen Teil davon verstehen wir? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 6 / 50
23 Große Skalen Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie WMAP Daten liefern die Zusammensetzung des Universums: 4% normale, sichtbare Materie X 22% Dunkle Materie 74% Dunkle Energie Welchen Teil davon verstehen wir? Woraus besteht die sichtbare Materie? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 6 / 50
24 Große Skalen Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie Materie, Dunkle Materie, Dunkle Energie WMAP Daten liefern die Zusammensetzung des Universums: 4% normale, sichtbare Materie X 22% Dunkle Materie 74% Dunkle Energie Welchen Teil davon verstehen wir? Woraus besteht die sichtbare Materie? Atome T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 6 / 50
25 Kleine Skalen Warum Grundlagenforschung? Dass ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält! J. W. Goethe, Faust Wie ist das Universum entstanden? Wie ist die Materie entstanden? Wie sind die Strukturen um uns herum entstanden? Woraus besteht unser Universum? Welche Strukturen gibt es im Universum? ( Nebel, Sterne, Galaxien...) Besteht das Universum nur aus der uns bekannten Materie? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 7 / 50
26 Kleine Skalen Warum Grundlagenforschung? Dass ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält! J. W. Goethe, Faust Wie ist das Universum entstanden? Wie ist die Materie entstanden? Wie sind die Strukturen um uns herum entstanden? Woraus besteht unser Universum? Welche Strukturen gibt es im Universum? ( Nebel, Sterne, Galaxien...) Besteht das Universum nur aus der uns bekannten Materie? Beobachtung und Untersuchung der elementaren Bausteine! T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 7 / 50
27 Kleine Skalen Wie können wir diese Teilchen beobachten? Wie? Wie groß sind die zu beobachtenden Teilchen? Molekül Atom Atomkern Proton/Neutron Quark 10 2 m 10 9 m m m m < m T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 8 / 50
28 Kleine Skalen Wie können wir diese Teilchen beobachten? Wie? Wie groß sind die zu beobachtenden Teilchen? Molekül Atom Atomkern Proton/Neutron Quark 10 2 m 10 9 m m m m < m Reicht ein Mikroskop zur Beobachtung von Protonen und Neutronen? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 8 / 50
29 Kleine Skalen Wie? Die Grenzen eines Mikroskops Auflösungsvermögen eines Mikroskops Auflösung begrenzt durch Wellenlänge λ des verwendeten Lichts sichtbares Licht: λ = nm (1 nm = 10 9 m) können nur Strukturen größer 380 nm auflösen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 9 / 50
30 Kleine Skalen Wie? Die Grenzen eines Mikroskops Auflösungsvermögen eines Mikroskops Auflösung begrenzt durch Wellenlänge λ des verwendeten Lichts sichtbares Licht: λ = nm (1 nm = 10 9 m) können nur Strukturen größer 380 nm auflösen Wir brauchen kleinere Wellenlängen/Sondenteilchen! T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember 11 9 / 50
31 Kleine Skalen Die erste Generation Die innere Struktur des Atoms Rutherfords Streuexperiment (1910) Streuung von α-strahlung (He-Kerne) an einer Goldfolie Messung der Winkelverteilung der gestreuten Strahlung T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
32 Kleine Skalen Die erste Generation Die innere Struktur des Atoms Rutherfords Streuexperiment (1910) Streuung von α-strahlung (He-Kerne) an einer Goldfolie Messung der Winkelverteilung der gestreuten Strahlung T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
33 Kleine Skalen Die erste Generation Die innere Struktur des Atoms Rutherfords Streuexperiment (1910) Streuung von α-strahlung (He-Kerne) an einer Goldfolie Messung der Winkelverteilung der gestreuten Strahlung Nachweis des Atomkerns T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
34 Kleine Skalen Die erste Generation Was wissen wir bis hierher? Das Atom Atomkern Elektronenhülle Der Atomkern Protonen Neutronen Das Proton p stabil τ > a Das Neutron n n p e ν e τ = s T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
35 Kleine Skalen Die erste Generation Was davon ist elementar? Das Elektron e 1897 durch J. J. Thompson entdeckt Ladung: 1e = 1, C d < m Elementarteilchen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
36 Kleine Skalen Die erste Generation Was davon ist elementar? Das Elektron e 1897 durch J. J. Thompson entdeckt Ladung: 1e = 1, C d < m Elementarteilchen Das Elektron-Neutrino ν e radioaktiver Zerfall des Neutrons n: n p e Energie nicht erhalten T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
37 Kleine Skalen Die erste Generation Was davon ist elementar? Das Elektron e 1897 durch J. J. Thompson entdeckt Ladung: 1e = 1, C d < m Elementarteilchen Das Elektron-Neutrino ν e radioaktiver Zerfall des Neutrons n: n p e ν e Energie erhalten 1930: W. Pauli postuliert unbeobachtetes Elementarteilchen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
38 Kleine Skalen Die erste Generation Was davon ist elementar? Das Elektron e 1897 durch J. J. Thompson entdeckt Ladung: 1e = 1, C d < m Elementarteilchen Das Elektron-Neutrino ν e radioaktiver Zerfall des Neutrons n: n p e ν e Energie erhalten 1930: W. Pauli postuliert unbeobachtetes Elementarteilchen 1956: exp. Nachweis des ν e durch Cowan und Reines T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
39 Kleine Skalen Die erste Generation Sind das Proton und das Neutron auch elementare Teilchen? führe Experiment analog zur Rutherford-Streuung mit Protonen durch Was nehmen wir als Sondenteilchen? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
40 Kleine Skalen Die erste Generation Sind das Proton und das Neutron auch elementare Teilchen? führe Experiment analog zur Rutherford-Streuung mit Protonen durch Was nehmen wir als Sondenteilchen? SLAC-MIT Experiment (1969) Streuung von hochenerget. Elektronen an Wasserstoff Sind Quarks elementare Teilchen? Ja! T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
41 Kleine Skalen Die erste Generation Sind das Proton und das Neutron auch elementare Teilchen? führe Experiment analog zur Rutherford-Streuung mit Protonen durch Was nehmen wir als Sondenteilchen? SLAC-MIT Experiment (1969) Streuung von hochenerget. Elektronen an Wasserstoff Proton besteht aus 3 Quarks uud (up up down) Neutron besteht aus 3 Quarks udd (up down down) Sind Quarks elementare Teilchen? Ja! T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
42 Kleine Skalen Das Standardmodell Ist das alles? Welche elementaren Teilchen kennen wir? Elektron e und Elektronneutrino ν e up- und down-quark reicht um die sichtbare Materie zu erklären! T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
43 Kleine Skalen Das Standardmodell Die Entdeckung des Myons µ (1936) C. Anderson entdeckt ein neues Teilchen gleiche elektr. Ladung wie das Elektron 200 mal schwerer als das Elektron instabil elementares Teilchen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
44 Kleine Skalen Das Standardmodell Die Entdeckung des Myons µ (1936) C. Anderson entdeckt ein neues Teilchen gleiche elektr. Ladung wie das Elektron 200 mal schwerer als das Elektron instabil elementares Teilchen Das Myon µ als schwerer Verwandter des Elektrons e Who ordered that? I. I. Rabi T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
45 Kleine Skalen Das Standardmodell Die Entdeckung des Myons µ (1936) C. Anderson entdeckt ein neues Teilchen gleiche elektr. Ladung wie das Elektron 200 mal schwerer als das Elektron instabil elementares Teilchen Das Myon µ als schwerer Verwandter des Elektrons e Who ordered that? I. I. Rabi Gibt es weitere schwere Verwandte von e, ν e, up- und down-quark? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
46 Kleine Skalen Das Standardmodell Das Standardmodell - Die Teilchen Leptonen obere Reihe: Q = 0 untere Reihe: Q = 1 T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
47 Kleine Skalen Das Standardmodell Das Standardmodell - Die Teilchen Leptonen Quarks obere Reihe: Q = 0 untere Reihe: Q = 1 obere Reihe: Q = +2/3 untere Reihe: Q = 1/3 T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
48 Kleine Skalen Das Standardmodell Das Standardmodell - Die Teilchen Leptonen Quarks obere Reihe: Q = 0 untere Reihe: Q = 1 obere Reihe: Q = +2/3 untere Reihe: Q = 1/3 Einteilung in 3 Familien (Generationen) Masse nimmt mit der Familie zu T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
49 Kleine Skalen Das Standardmodell Kräfte als Ursache allen Geschehens erst Wechselwirkungen (Kräfte) zw. den Teilchen ermöglichen komplexere Strukturen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
50 Kleine Skalen Das Standardmodell Kräfte als Ursache allen Geschehens erst Wechselwirkungen (Kräfte) zw. den Teilchen ermöglichen komplexere Strukturen Kräfte entstehen durch den Austausch von Bosonen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
51 Kleine Skalen Das Standardmodell Kräfte als Ursache allen Geschehens erst Wechselwirkungen (Kräfte) zw. den Teilchen ermöglichen komplexere Strukturen Kräfte entstehen durch den Austausch von Bosonen schematische Beschreibung durch Feynmandiagramme T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
52 Kleine Skalen Das Standardmodell Feynmandiagramme begrenzte Anzahl fundamentaler Vertices alle Prozesse sind Kombination dieser Vertices an jedem Vertex müssen Erhaltungssätze gelten Abstrahlung P aarvernichtung Einfang P aarerzeugung Zeit T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
53 Kleine Skalen Das Standardmodell Feynmandiagramme begrenzte Anzahl fundamentaler Vertices alle Prozesse sind Kombination dieser Vertices an jedem Vertex müssen Erhaltungssätze gelten Pfeilrichtung symbolisiert Antiteilchen bewegt sich trotzdem vorwärts in der Zeit Abstrahlung P aarvernichtung Zeit Einfang P aarerzeugung T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
54 Die Kräfte Kleine Skalen Das Standardmodell Elektromagnetische Kraft Kraft zwischen elektrisch geladenen Teilchen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
55 Kleine Skalen Das Standardmodell Die Kräfte Elektromagnetische Kraft Kraft zwischen elektrisch geladenen Teilchen Schwache Kraft Zerfall von Quarks und Leptonen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
56 Kleine Skalen Das Standardmodell Die Kräfte Elektromagnetische Kraft Kraft zwischen elektrisch geladenen Teilchen Schwache Kraft Zerfall von Quarks und Leptonen Starke Kraft Bindung der Quarks T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
57 Kleine Skalen Das Standardmodell Die Kräfte Elektromagnetische Kraft Kraft zwischen elektrisch geladenen Teilchen Schwache Kraft Zerfall von Quarks und Leptonen Starke Kraft Bindung der Quarks Gravitation Anziehung von Massen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
58 Kleine Skalen Das Standardmodell Die Kräfte im Standardmodell Elektromagnetische Kraft Kraft zwischen elektrisch geladenen Teilchen Schwache Kraft Zerfall von Quarks und Leptonen Starke Kraft Bindung der Quarks T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
59 Kleine Skalen Das Standardmodell Elektromagnetische Wechselwirkung WW an der alle Teilchen mit elektrischer Ladung teilnehmen das Austauschteilchen ist das Photon γ (Lichtteilchen) Teilchencharakter des Lichts 1905 durch Einstein masselos bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
60 Kleine Skalen Das Standardmodell Elektromagnetische Wechselwirkung WW an der alle Teilchen mit elektrischer Ladung teilnehmen das Austauschteilchen ist das Photon γ (Lichtteilchen) Teilchencharakter des Lichts 1905 durch Einstein masselos bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit e e γ e + Zeit e + e + e -Streuung T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
61 Kleine Skalen Das Standardmodell Elektromagnetische Wechselwirkung WW an der alle Teilchen mit elektrischer Ladung teilnehmen das Austauschteilchen ist das Photon γ (Lichtteilchen) Teilchencharakter des Lichts 1905 durch Einstein masselos bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit e e γ e + e e + γ e + Zeit e + e -Streuung e e + Zeit Bhabha-Streuung T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
62 Kleine Skalen Das Standardmodell Schwache Wechselwirkung vermittelt Umwandlung von Leptonen und Quarks Austauschteilchen sind W +, W und Z 0 Bosonen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
63 Kleine Skalen Das Standardmodell Schwache Wechselwirkung vermittelt Umwandlung von Leptonen und Quarks Austauschteilchen sind W +, W und Z 0 Bosonen W ± Boson m = 80.4 GeV/c 2 80 m(p) ändert die Teilchenart z.b.: n pe ν e T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
64 Kleine Skalen Das Standardmodell Schwache Wechselwirkung vermittelt Umwandlung von Leptonen und Quarks Austauschteilchen sind W +, W und Z 0 Bosonen W ± Boson m = 80.4 GeV/c 2 80 m(p) ändert die Teilchenart z.b.: n pe ν e d u u W e d u d Zeit ν e T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
65 Kleine Skalen Das Standardmodell Schwache Wechselwirkung vermittelt Umwandlung von Leptonen und Quarks Austauschteilchen sind W +, W und Z 0 Bosonen W ± Boson m = 80.4 GeV/c 2 80 m(p) ändert die Teilchenart z.b.: n pe ν e d u u e Z 0 Boson m = 91.2 GeV/c 2 91 m(p) ändert die Teilchenart nicht z.b.: e + e ν µ ν µ W d u d Zeit ν e T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
66 Kleine Skalen Das Standardmodell Schwache Wechselwirkung vermittelt Umwandlung von Leptonen und Quarks Austauschteilchen sind W +, W und Z 0 Bosonen W ± Boson m = 80.4 GeV/c 2 80 m(p) ändert die Teilchenart z.b.: n pe ν e d u u W e Z 0 Boson e + m = 91.2 GeV/c 2 91 m(p) ändert die Teilchenart nicht z.b.: e + e ν µ ν µ Z 0 ν µ d u d Zeit ν e e Zeit ν µ T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
67 Kleine Skalen Das Standardmodell Starke Wechselwirkung Quarks haben eine Farbladung (rot, grün, blau) Anti-Quarks haben die entsprechenden Anti-Farbladungen Starke WW bindet Quarks in farbneutrale Zustände T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
68 Kleine Skalen Das Standardmodell Starke Wechselwirkung Quarks haben eine Farbladung (rot, grün, blau) Anti-Quarks haben die entsprechenden Anti-Farbladungen Starke WW bindet Quarks in farbneutrale Zustände Mesonen (q 1 q 2 ) Bindungszustand aus Quark und Antiquark π + (u d) B 0 (d b)... T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
69 Starke Wechselwirkung Kleine Skalen Das Standardmodell Quarks haben eine Farbladung (rot, grün, blau) Anti-Quarks haben die entsprechenden Anti-Farbladungen Starke WW bindet Quarks in farbneutrale Zustände Mesonen (q 1 q 2 ) Bindungszustand aus Quark und Antiquark π + (u d) B 0 (d b)... Baryonen (q 1 q 2 q 3 ) Bindungszustand aus drei Quarks p (uud) Λ + c (cud)... T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
70 Starke Wechselwirkung Kleine Skalen Das Standardmodell Quarks haben eine Farbladung (rot, grün, blau) Anti-Quarks haben die entsprechenden Anti-Farbladungen Starke WW bindet Quarks in farbneutrale Zustände Mesonen (q 1 q 2 ) Bindungszustand aus Quark und Antiquark π + (u d) B 0 (d b)... Baryonen (q 1 q 2 q 3 ) Bindungszustand aus drei Quarks p (uud) Λ + c (cud)... vermittelt durch masselose Gluonen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
71 Starke Wechselwirkung Kleine Skalen Das Standardmodell Quarks haben eine Farbladung (rot, grün, blau) Anti-Quarks haben die entsprechenden Anti-Farbladungen Starke WW bindet Quarks in farbneutrale Zustände Mesonen (q 1 q 2 ) Bindungszustand aus Quark und Antiquark π + (u d) B 0 (d b)... Baryonen (q 1 q 2 q 3 ) Bindungszustand aus drei Quarks p (uud) Λ + c (cud)... vermittelt durch masselose Gluonen starke WW ist bei kleinen Abständen klein bei großen Abständen groß Quarks können nicht isoliert auftreten T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
72 Kleine Skalen Das Standardmodell Die Masse der Elementarteilchen 6 Leptonen und 6 Quarks 5 Austauschteilchen aber: alle Teilchen masselos T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
73 Kleine Skalen Das Standardmodell Die Masse der Elementarteilchen top (t) bottom (b) 1 3 Tau ( τ ) Neutrino τ (ν τ) charm (c) strange (s) 1 3 Muon ( µ ) ( ) Neutrino µ ν µ up (u) down (d) 1 3 Elektron ( e ) Neutrino e (ν e) 6 Leptonen und 6 Quarks 5 Austauschteilchen aber: alle Teilchen masselos Photon (γ) Gluon (g) W ±, Z 0 große Massenunterschiede Warum diese Massenwerte? Wie entsteht Masse? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
74 Was wäre, wenn...? Kleine Skalen Das Standardmodell... das W ± leichter wäre? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
75 Was wäre, wenn...? Kleine Skalen Das Standardmodell... das W ± leichter wäre? die Sonne brennt schneller sie wird zum roten Riesen bevor höheres Leben entstehen kann T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
76 Was wäre, wenn...? Kleine Skalen Das Standardmodell... das W ± leichter wäre? die Sonne brennt schneller sie wird zum roten Riesen bevor höheres Leben entstehen kann... das d-quark leichter wäre? Protonen sind nicht stabil das Universum besteht nur aus Neutronensternen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
77 Was wäre, wenn...? Kleine Skalen Das Standardmodell... das W ± leichter wäre? die Sonne brennt schneller sie wird zum roten Riesen bevor höheres Leben entstehen kann... das d-quark leichter wäre? Protonen sind nicht stabil das Universum besteht nur aus Neutronensternen... das Elektron leichter wäre? die Bindung der Moleküle ist schwächer es gibt kein flüßiges Wasser auf der Erde T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
78 Kleine Skalen Das Standardmodell Wie entsteht Masse? - Der Higgs-Mechanismus im leeren Vakuum sind alle Teilchen masselos bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
79 Kleine Skalen Das Standardmodell Wie entsteht Masse? - Der Higgs-Mechanismus im leeren Vakuum sind alle Teilchen masselos bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit das Vakuum ist nicht leer Higgs-Hintegrundfeld T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
80 Kleine Skalen Das Standardmodell Wie entsteht Masse? - Der Higgs-Mechanismus im leeren Vakuum sind alle Teilchen masselos bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit das Vakuum ist nicht leer Higgs-Hintegrundfeld T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
81 Kleine Skalen Das Standardmodell Wie entsteht Masse? - Der Higgs-Mechanismus im leeren Vakuum sind alle Teilchen masselos bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit das Vakuum ist nicht leer Higgs-Hintegrundfeld WW mit dem Higgs-Feld bremst die Teilchen ab sie bekommen Masse T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
82 Das Higgs-Boson Kleine Skalen Das Standardmodell notwendige Konsequenz dieser Theorie: Das Higgs-Boson T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
83 Das Higgs-Boson Kleine Skalen Das Standardmodell notwendige Konsequenz dieser Theorie: Das Higgs-Boson quantenmechanische Anregung des Feldes T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
84 Das Higgs-Boson Kleine Skalen Das Standardmodell notwendige Konsequenz dieser Theorie: Das Higgs-Boson quantenmechanische Anregung des Feldes T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
85 Das Higgs-Boson Kleine Skalen Das Standardmodell notwendige Konsequenz dieser Theorie: Das Higgs-Boson quantenmechanische Anregung des Feldes experimentelle Bestätigung der Theorie steht noch aus Suche nach dem Higgs-Boson am LHC T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
86 Was wissen wir nicht? Offene Fragen Gibt es das Higgs? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
87 Was wissen wir nicht? Offene Fragen Gibt es das Higgs? Higgs-Suche am LHC Produktion des Higgs in pp-kollisionen Nachweis seiner Zerfallsprodukte W ±/Z 0 q 2 g W ±/Z 0 t H0 t t q1 Zeit H0 T. Leddig (Uni Rostock) g... Zeit Das Standardmodell 21. Dezember / 50
88 Was wissen wir nicht? Offene Fragen Gibt es das Higgs? Warum gibt es nur noch Materie? Sacharow-Kriterien Drei Kriterien müssen erfüllt sein damit nur Materie vorhanden thermodyn. Nichtgleichgewicht rasche Expansion X CP-Verletzung X Baryonzahl-Verletzung bisher nicht beobachtet T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
89 Was wissen wir nicht? Offene Fragen Gibt es das Higgs? Warum gibt es nur noch Materie? Lassen sich alle WW zusammenfassen? Grand Unified Theory oder Theory of Everything? Vereinheitlichung von: elektromagnetischer WW + schwacher WW X + starker WW (X) GUT + Gravitation ToE T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
90 Was wissen wir nicht? Offene Fragen Gibt es das Higgs? Warum gibt es nur noch Materie? Lassen sich alle WW zusammenfassen? Was ist Dunkle Materie? Dunkle Materie Kandidaten bisher unbeobachtete Teilchen Axion, WIMP,... Supersymmetrie schwerere Kopie des Standardmodells T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
91 Was wissen wir nicht? Offene Fragen Gibt es das Higgs? Warum gibt es nur noch Materie? Lassen sich alle WW zusammenfassen? Was ist Dunkle Materie? Was ist Dunkle Energie? Eigenschaft des Raumes oder Hintegrundfeld? mögliche Erklärungsansätze: beschleunigte Expansion ist Eigenschaft der Raumzeit selbst beschleunigte Expansion wird von einem Hintergrundfeld verursacht T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
92 Was wissen wir nicht? Offene Fragen Gibt es das Higgs? Warum gibt es nur noch Materie? Lassen sich alle WW zusammenfassen? Was ist Dunkle Materie? Was ist Dunkle Energie? Suche nach Antworten an Beschleunigern (z.b. LHC)! ATLAS T. Leddig (Uni Rostock) CMS LHCb Das Standardmodell ALICE 21. Dezember / 50
93 Pause Pause T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
94 Teilchenbeschleuniger Teilchenbeschleuniger Warum brauchen wir Beschleuniger? Untersuchung instabiler, schwerer Teilchen höhere Statistik als in der kosm. Höhenstrahlung kontrollierte Bedingungen (Labor) T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
95 Teilchenbeschleuniger Teilchenbeschleuniger Warum brauchen wir Beschleuniger? Untersuchung instabiler, schwerer Teilchen höhere Statistik als in der kosm. Höhenstrahlung kontrollierte Bedingungen (Labor) Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Beschleunigung geladener Teilchen mittels elektr. Wechselfelder einfaches Beispiel: Röhrenmonitor T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
96 Teilchenbeschleuniger Teilchenbeschleuniger Wie können schwere Teilchen im Beschleuniger erzeugt werden? E = m c 2 T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
97 Teilchenbeschleuniger Teilchenbeschleuniger Wie können schwere Teilchen im Beschleuniger erzeugt werden? E = m c 2 m = E/c 2 T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
98 Teilchenbeschleuniger Teilchenbeschleuniger Wie können schwere Teilchen im Beschleuniger erzeugt werden? E = m c 2 m = E/c 2 lasse 2 Teilchen mit Energie E/2 kollidieren in der Kollision können Teilchen bis zu einer Masse m erzeugt werden T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
99 Teilchenbeschleuniger Teilchenbeschleuniger Wie können schwere Teilchen im Beschleuniger erzeugt werden? E = m c 2 m = E/c 2 lasse 2 Teilchen mit Energie E/2 kollidieren in der Kollision können Teilchen bis zu einer Masse m erzeugt werden Wie hoch sind die Energien? Protonmasse: 1 GeV/c 2 = kg eine Protonmasse entspricht einer Energie von: 1 GeV = J = kcal die stärksten Beschleuniger erreichen einige TeV (1 TeV = 1000 GeV) T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
100 Teilchenbeschleuniger Wie können wir diese Teilchen nachweisen? Teilchen sind zu klein um sie direkt zu sehen Aber: Wir können ihre Wechselwirkung mit Materie sehen Nebelkammer Blasenkammer T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
101 Teilchendetektoren Teilchenbeschleuniger T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
102 Teilchendetektoren Teilchenbeschleuniger entstandene Teilchen interagieren mit dem Detektor Spur Spur erlaubt Rückschluß auf Energie und Impuls T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
103 Teilchenbeschleuniger Was sehen wir im Detektor? Photonen: elektromagn. Kalorimeter Elektronen: Spurkammer, elektromagn. Kalorimeter Myonen: Spurkammer, beide Kalorimeter, Myonenkammern T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
104 Teilchenbeschleuniger Was sehen wir im Detektor? Photonen: elektromagn. Kalorimeter Elektronen: Spurkammer, elektromagn. Kalorimeter Myonen: Spurkammer, beide Kalorimeter, Myonenkammern Protonen, Neutronen: Spurkammer, beide Kalorimeter Quark-Antiquark: Spurkammer, beide Kalorimeter T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
105 Teilchenbeschleuniger Was sehen wir im Detektor? Photonen: elektromagn. Kalorimeter Elektronen: Spurkammer, elektromagn. Kalorimeter Myonen: Spurkammer, beide Kalorimeter, Myonenkammern Protonen, Neutronen: Spurkammer, beide Kalorimeter Quark-Antiquark: Spurkammer, beide Kalorimeter Nachweis schwerer (kurzlebiger) Teilchen über ihre Zerfallsprodukte T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
106 Teilchenbeschleuniger Der LHC T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
107 Teilchenbeschleuniger Der LHC Der Large Hadron Collider (LHC) Proton-Proton Beschleuniger verläuft unter der Schweiz und Frankreich Ringbeschleuniger mit 27 km Umfang zwischen 50 und 175 m unter der Erde ausgelegt für 7 TeV Strahlenergie T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
108 Teilchenbeschleuniger Der LHC Der Large Hadron Collider (LHC) Proton-Proton Beschleuniger verläuft unter der Schweiz und Frankreich Ringbeschleuniger mit 27 km Umfang zwischen 50 und 175 m unter der Erde ausgelegt für 7 TeV Strahlenergie Der LHC - Die Maschine der Superlative Protonen haben % der Lichtgeschwindigkeit Druck im Strahlrohr 10 mal kleiner als auf dem Mond T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
109 Teilchenbeschleuniger Der LHC Der Large Hadron Collider (LHC) Proton-Proton Beschleuniger verläuft unter der Schweiz und Frankreich Ringbeschleuniger mit 27 km Umfang zwischen 50 und 175 m unter der Erde ausgelegt für 7 TeV Strahlenergie Der LHC - Die Maschine der Superlative Protonen haben % der Lichtgeschwindigkeit Druck im Strahlrohr 10 mal kleiner als auf dem Mond Magnete auf 1.9K ( C) gekühlt kälter als das Weltall ( 3K) Magnete zwingen Protonen auf eine Kreisbahn (Lenz sche Regel) T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
110 Teilchenbeschleuniger Der LHC Der Large Hadron Collider (LHC) Proton-Proton Beschleuniger verläuft unter der Schweiz und Frankreich Ringbeschleuniger mit 27 km Umfang zwischen 50 und 175 m unter der Erde ausgelegt für 7 TeV Strahlenergie Der LHC - Die Maschine der Superlative Protonen haben % der Lichtgeschwindigkeit Druck im Strahlrohr 10 mal kleiner als auf dem Mond Magnete auf 1.9K ( C) gekühlt kälter als das Weltall ( 3K) Magnete zwingen Protonen auf eine Kreisbahn (Lenz sche Regel) Temperatur in der Kollision: mal höher als im Kern der Sonne Umfang des LHC ändert sich bei Neu- und Vollmond um 1 mm T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
111 Teilchenbeschleuniger Der LHC LHC Kollisionen 2 gegenläufige Strahlen Umläufe in der Sekunde T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
112 Teilchenbeschleuniger Der LHC LHC Kollisionen 2 gegenläufige Strahlen Umläufe in der Sekunde pro Strahl 2808 Teilchenpakete (Bunches) pro Bunch etwa 100 Milliarden Protonen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
113 Teilchenbeschleuniger Der LHC LHC Kollisionen 2 gegenläufige Strahlen Umläufe in der Sekunde pro Strahl 2808 Teilchenpakete (Bunches) pro Bunch etwa 100 Milliarden Protonen um die 30 Millionen Bunch-Crossings pro Sekunde etwa 20 Kollisionen pro Bunch-Crossing T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
114 Teilchenbeschleuniger Der LHC LHC Kollisionen 2 gegenläufige Strahlen Umläufe in der Sekunde pro Strahl 2808 Teilchenpakete (Bunches) pro Bunch etwa 100 Milliarden Protonen um die 30 Millionen Bunch-Crossings pro Sekunde etwa 20 Kollisionen pro Bunch-Crossing 600 Millionen Kollsionen pro Sekunde T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
115 Teilchenbeschleuniger Der LHC Die 4 großen LHC-Experimente T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
116 Teilchenbeschleuniger Der LHC Die 4 großen LHC-Experimente ATLAS: Suche nach dem Higgs und neuer Physik Breite: 25 m Höhe: 25 m Länge: 46 m Gewicht: 7000 t Mitglieder: > 1900 beteiligte Länder: 35 T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
117 Teilchenbeschleuniger Der LHC Die 4 großen LHC-Experimente ATLAS: Suche nach dem Higgs und neuer Physik CMS: Suche nach dem Higgs und neuer Physik Breite: 15 m Höhe: 15 m Länge: 21 m Gewicht: t Mitglieder: > 2000 beteiligte Länder: 38 T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
118 Teilchenbeschleuniger Der LHC Die 4 großen LHC-Experimente ATLAS: Suche nach dem Higgs und neuer Physik CMS: Suche nach dem Higgs und neuer Physik LHCb: Suche nach weiteren Quellen der CP-Verletzung Breite: 13 m Höhe: 10 m Länge: 21 m Gewicht: 5600 t Mitglieder: > 650 beteiligte Länder: 14 T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
119 Teilchenbeschleuniger Der LHC Die 4 großen LHC-Experimente ATLAS: Suche nach dem Higgs und neuer Physik CMS: Suche nach dem Higgs und neuer Physik LHCb: Suche nach weiteren Quellen der CP-Verletzung ALICE: Wie sah das Universum in den ersten Sekunden aus? Breite: 16 m Höhe: 16 m Länge: 26 m Gewicht: t Mitglieder: > 1400 beteiligte Länder: 31 T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
120 Teilchenbeschleuniger Status der Higgs-Suche Der LHC am präsentierten ATLAS und CMS den aktuellen Status der Higgs Suche große Massenbereiche wurden mittlerweile ausgeschlossen beide sehen Überschuss bei 125 GeV/c 2 bisher aber nur ein Hinweis da nicht genug Daten 2012 (a) ATLAS (b) CMS T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
121 Nutzen der Teilchenphysik Wo liegt der Nutzen der Teilchenphysik? Teilchenphysik ist Grundlagenforschung tieferes Verstädnis des Universums T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
122 Nutzen der Teilchenphysik Wo liegt der Nutzen der Teilchenphysik? Teilchenphysik ist Grundlagenforschung tieferes Verstädnis des Universums Detektoren und Beschleuniger an der Grenze des technisch machbaren Entwicklung neuer Technologien T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
123 Nutzen der Teilchenphysik Wo liegt der Nutzen der Teilchenphysik? Teilchenphysik ist Grundlagenforschung tieferes Verstädnis des Universums Detektoren und Beschleuniger an der Grenze des technisch machbaren Entwicklung neuer Technologien große Datenmengen erfordern neuartige Methoden der Verarbeitung World Wide Web und in Zukunft das Grid T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
124 Nutzen der Teilchenphysik Wo liegt der Nutzen der Teilchenphysik? Teilchenphysik ist Grundlagenforschung tieferes Verstädnis des Universums Detektoren und Beschleuniger an der Grenze des technisch machbaren Entwicklung neuer Technologien große Datenmengen erfordern neuartige Methoden der Verarbeitung World Wide Web und in Zukunft das Grid Detektoren und Beschleuniger auch auf anderen Gebieten einsetzbar Krebstherapie mit Protonen und Ionen Bildgebende Verfahren in der Medizin (z.b. PET-Scanner) T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
125 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Messung des Z 0 -Zerfalls am LEP Beschleuniger mit dem OPAL-Detektor T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
126 Was ist das Z 0? Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger das neutrale Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
127 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Was ist das Z 0? das neutrale Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung Die schwache Wechselwirkung bewirkt den Zerfall (Umwandlung) von schweren Quarks und Leptonen sehr geringe Reichweite m vermittelt durch W ± und Z 0 Bosonen T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
128 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Was ist das Z 0? das neutrale Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung Die schwache Wechselwirkung bewirkt den Zerfall (Umwandlung) von schweren Quarks und Leptonen sehr geringe Reichweite m vermittelt durch W ± und Z 0 Bosonen m(z 0 ) = 91.2 GeV (m(w ± ) = 80.4 GeV) das Z 0 ist instabil es zerfällt T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
129 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Was ist das Z 0? das neutrale Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung Die schwache Wechselwirkung bewirkt den Zerfall (Umwandlung) von schweren Quarks und Leptonen sehr geringe Reichweite m vermittelt durch W ± und Z 0 Bosonen m(z 0 ) = 91.2 GeV (m(w ± ) = 80.4 GeV) das Z 0 ist instabil es zerfällt je mehr Zerfallskanäle umso kürzer die Lebensdauer T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
130 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Was ist das Z 0? das neutrale Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung Die schwache Wechselwirkung bewirkt den Zerfall (Umwandlung) von schweren Quarks und Leptonen sehr geringe Reichweite m vermittelt durch W ± und Z 0 Bosonen m(z 0 ) = 91.2 GeV (m(w ± ) = 80.4 GeV) das Z 0 ist instabil es zerfällt je mehr Zerfallskanäle umso kürzer die Lebensdauer τ(z 0 ) = s T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
131 Eure Aufgabe Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe Wie häufig zerfällt das Z 0 über welchen Kanal? P(Z 0??) T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
132 Eure Aufgabe Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe Wie häufig zerfällt das Z 0 über welchen Kanal? P(Z 0??) wir betrachten 4 der möglichen Zerfallskanäle: Z 0 e + e Z 0 µ + µ Z 0 τ + τ Z 0 q q T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
133 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe Eure Aufgabe Wie häufig zerfällt das Z 0 über welchen Kanal? P(Z 0??) wir betrachten 4 der möglichen Zerfallskanäle: Z 0 e + e Z 0 µ + µ Z 0 τ + τ Z 0 q q Überprüfung von Vorhersagen des Standardmodells P(Z 0 e + e ) P(Z 0 µ + µ ) P(Z 0 τ + τ ) P(Z 0 q q) 20 P(Z 0 µ + µ ) T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
134 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe Woher bekommen wir die Daten? Omni Purpose Apparatus at LEP (OPAL) Experiment am LEP Beschleniger am CERN in Betrieb von 1989 bis 2000 Ergebnisse: genaue Vermessung des Z 0 Test des Standardmodells T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
135 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe Woher bekommen wir die Daten? Omni Purpose Apparatus at LEP (OPAL) Experiment am LEP Beschleniger am CERN in Betrieb von 1989 bis 2000 Ergebnisse: genaue Vermessung des Z 0 Test des Standardmodells Large Electron Positron Collider (LEP) Elektron-Positron Beschleuniger T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
136 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe Woher bekommen wir die Daten? Omni Purpose Apparatus at LEP (OPAL) Experiment am LEP Beschleniger am CERN in Betrieb von 1989 bis 2000 Ergebnisse: genaue Vermessung des Z 0 Test des Standardmodells Large Electron Positron Collider (LEP) Elektron-Positron Beschleuniger in Betrieb von 1989 bis 2000 beherbergte vier große Experimente: ALEPH, Delphi, L3 und OPAL T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
137 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Der OPAL Detektor Eure Aufgabe T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
138 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe Was sehen wir in einem Event Display? T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
139 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe e + e Z 0 µ + µ 2 hochenergetische Spuren (Farbe) Spuren gehen back to back Einträge in den Myon-Kammern für beide Spuren T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
140 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe e + e Z 0 e + e 2 hochenergetische Spuren (Farbe) Spuren gehen back to back keine Einträge in den Myon-Kammern für beide Spuren hoher Energieverlust im elektromagn. Kalorimeter T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
141 e + e Z 0 q q Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe energiereiches Quark erzeugt Bündel von Teilchen (Jets) hauptsächlich Hadronen (Baryonen und Mesonen) Spuren im Spurdetektor Energie in beiden Kalorimetern T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
142 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe e + e Z 0 τ + τ τ selbst sind kurzlebig (t = s) fliegen etwa 87 µm weit bevor sie zerfallen Auch τ kann man nur indirekt nachweisen! Mögliche τ Zerfälle τ e ν e ν τ τ µ ν µ ν τ τ h ν τ γ τ 3h ν τ γ T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
143 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe e + e Z 0 τ + τ τ selbst sind kurzlebig (t = s) fliegen etwa 87 µm weit bevor sie zerfallen Auch τ kann man nur indirekt nachweisen! Mögliche τ Zerfälle τ e ν e ν τ τ µ ν µ ν τ τ h ν τ γ τ 3h ν τ γ Beliebige Kombination möglich für Z 0 τ + τ T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
144 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe Zwei mögliche Z 0 τ + τ Ereignisse 1 τ e ν e ν τ 2 τ µ ν µ ν τ 1 τ e ν e ν τ 2 τ µ ν µ ν τ Bei ee und µµ Kombinationen auf die Farbe der Spur achten! T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
145 Untersuchung des Z 0 am LEP-Beschleuniger Eure Aufgabe Zusammenfassung der Z 0 Zerfälle Z 0 e + e je eine Spur Signal im e.m. Kalorimeter Z 0 µ + µ je eine Spur Signale in beiden Kalorimetern Signal in den Myonkammern Z 0 τ + τ je e, µ oder Jet (1h oder 3h) Farbkodierung beachten! Z 0 q q je Jets (mehrere Spuren) Signale in beiden Kalorimetern manchmal Signal in den Myonkammern T. Leddig (Uni Rostock) Das Standardmodell 21. Dezember / 50
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