Wie arbeitet ein Teilchenphysiker? Das Standardmodell, Detektoren und Beschleuniger.

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1 Grafik 2 Vorstellung des Instituts für Kern- und Teilchenphysik Wie arbeitet ein Teilchenphysiker? Das Standardmodell, Detektoren und Beschleuniger. Dipl. Phys. Kathrin Leonhardt 1

2 Grafik 2 Auf den Spuren der Elementarteilchen Womit beschäftigt sich die Teilchenphysik? Teilchenbeschleuniger Teilchen und Kräfte Detektoren 2

3 Grafik 2 Wie ist die Materie aufgebaut? ~ 0,01 m Kristall 1/ /10 1/ /10 1/ m Molekül m Atom Aufgabe der Teilchenphysik: m Atomkern Welche Elementarteilchen gibt es? Was hält sie zusammen? Wie wechselwirken sie untereinander? m Proton <10-18 m Quark, Elektron 3

4 Grafik 2 Wie ist die Materie aufgebaut? Wie kann man Struktur der Materie erforschen? Sehen = Abbilden Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor) Auflösungsvermögen : Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Projektilgröße << Größe der Strukturen 4

5 Grafik 2 Teilchenbeschleuniger als Mikroskop Teilchenphysik = Hochenergiephysik Forscher nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn mit steigender Energie E (Impuls p) der Projektile steigt: Fähigkeit, kleine Strukturen x zu erkennen x p = ħ (Heisenberg) Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen: E = mc 2 (Einstein) 5

6 Grafik 2 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Beispiel zum Auflösungsvermögen Projektil: Basketbälle 6

7 Grafik 2 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Beispiel zum Auflösungsvermögen Projektil: Tennisbälle 7

8 Grafik 2 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Beispiel zum Auflösungsvermögen Projektil: Murmeln...Nichts wie weg! 8

9 Grafik 2 Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Haben Sie auch daheim! Funktionsprinzip: Simulation Linearbeschleuniger: Fermilab, Chicago (in Betrieb) DESY, Hamburg (in Planung) 9

10 Grafik 2 Der Large Hadron Collider (LHC) Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen 10

11 Grafik 2 LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser 11

12 Grafik 2 Ein Blick in den Tunnel Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu Strukturen und Abständen von Metern Massen auf der Teraskala (E = mc2 = 1TeV) Entwicklung des Universums nach dem Urknall von 0, s bis 0, s 12

13 Grafik 3 Der Atlas Detektor Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten 170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern (darunter Dresden) Größenvergleich Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten 13

14 Grafik 2 Was wurde (bis jetzt) entdeckt? Was in der Teilchenphysik bis jetzt erforscht wurde, ist im Standardmodell zusammengefasst. Das Standardmodell ist eine mathematische Theorie, die die Elementarteilchen und die Wechselwirkunsgkräfte beschreibt. 14

15 Grafik 3 Die Elementarteilchen Unterteilung der Materieteilchen in sehr leicht, keine Ladung 15

16 Grafik 3 Konzept der Wechselwirkungen Wechselwirkung: Kraftwirkung zwischen Teilchen Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion 4 fundamentale Wechselwirkungen Gravitation (Schwerkraft) Elektromagnetismus Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung S N n p nn q q n pn p p pn n p p n p n p 16

17 Grafik 3 Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen 17

18 Grafik 3 Die verschiedenen Kräfte Elektromagnetisch Stark Schwach Ladung: Positiv oder negativ 3 Farben Zahlentriplett + Antifarben Botenteilchen: Photon Gluonen W -,Z 0,W + masselos masselos sehr schwer elektrisch neutral tragen Farbldg. tragen schw. Ldg. 18

19 Grafik 3 Besonderheit der starken Kraft Gluonen (Botenteilchen) tragen ebenfalls Farbladung, können dadurch auch miteinander wechselwirken es gibt keine freien Farbladungen 19

20 Grafik 3 Teilchen und Kräfte Wechselwirken über: Starke, elektromagn. Schwache Kraft Elektromagn., schwache Kraft Nur schwache Kraft Neutrinos wechselwirken sehr selten (nur über schw. WW) ( von schaffen Erddurchquerung) 20

21 Grafik 3 Teilchenidentifikation = Detektivarbeit Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten Feststellbare Teilcheneigenschaften: aus Quarks ( Hadronen ) elektr. geladen/ ungeladen leicht/ schwer 21

22 Grafik 3 Mehr Durchschlagskraft für: - schwere Teilchen - schwächere Wechselwirkung 22

23 Grafik 3 Schnitt durch den CMS Detektor 23

24 Grafik 3 Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 Elektronische Bilder 24

25 Grafik 3 Einzelne Quarks ergeben Hadronen -Jets e-p Kollisionen bei HERA am DESY 25

26 Grafik 3 Auf der Suche nach der Weltformel heutige experimentelle Grenze Fortschritt der Physik Zurück zum Urknall 26

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