Was ist Physik? Caren Hagner Uni Hamburg. Orientierungseinheit SS2005 Was ist Physik? Caren Hagner, Universität Hamburg

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1 Was ist Physik? Caren Hagner Uni Hamburg

2 Soll man Physik studieren? Antwort von 1874: "Theoretische Physik, das ist ja ein ganz schönes Fach... aber grundsätzlich Neues werden sie darin kaum mehr leisten können." Ph.v. Jolly zu M. Planck, 1874 Max Planck ( ) Nicht lange danach entstanden: Relativitätstheorie Quantenmechanik

3 Albert Einstein ( ) 1905: Annus Mirabilis Spezielle Relativitätstheorie E = mc 2 Lichtquanten: Photonen Photoelektrischer Effekt Brownsche Bewegung 1916: Allgemeine Relativitätstheorie 1925: Bose-Einstein Kondensation Nobelpreis 1921 "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect"

4 Theorie und Experiment am Beispiel der Entdeckung des Neutrinos

5 Wolfgang Pauli erfindet das Neutrino (1930) Energiespektrum der Elektronen beim β-zerfall n p + e + ν e E elektron Zahl der EleKtronen = m c n 2 m So sollte es aussehen Energie des Elektrons Aber dies wurde gemessen! p c 2 E neutrino ν Als Lösung postuliert W. Pauli das Neutrino

6 Liebe radioaktive Damen und Herren, wie der Überbringer dieser Zeilen, den ich huldvollst anzuhören bitte, Ihnen des näheren auseinandersetzen wird, bin ich angesichts... des kontinuierlichen Beta-Spektrums auf einen verzweifelten Ausweg verfallen, um... den Energiesatz zu retten. Nämlich die Möglichkeit, es könnten elektrisch neutrale Teilchen, die ich Neutronen nennen will, in den Kernen existieren, welche das Ausschließungsprinzip befolgen und sich von Lichtquanten außerdem noch dadurch unterscheiden, daß sie nicht mit Lichtgeschwindigkeit laufen. Ihre Masse müßte von derselben Größenordnung wie die Elektronenmasse sein. Ich traue mich vorläufig nicht, etwas über diese Idee zu publizieren, und wende mich vertrauensvoll an Euch, liebe Radioaktive, mit der Frage, wie es um den experimentellen Nachweis stände, wenn dieses Neutron ein ebensolches oder etwa 100 mal größeres Durchdringungsvermögen besitzen würde wie ein Röntgenstrahl. Ich gebe zu, daß mein Ausweg vielleicht von vornherein wenig wahrscheinlich erscheinen mag, weil man die Neutronen, wenn sie existieren, wohl längst gesehen hätte. Aber nur wer wagt, gewinnt, und der Ernst der Situation beim kontinuierlichen Beta-Spektrum wird durch einen Ausspruch meines verehrten Vorgängers im Amte, Herrn Debye, beleuchtet, der mir kürzlich gesagt hat: Oh, daran soll man am besten gar nicht denken, so wie an die neuen Steuern. Darum soll man jeden Weg zur Rettung ernstlich diskutieren. Also, liebe Radioaktive, prüfet und richtet. Leider kann ich nicht persönlich in Tübingen erscheinen, da ich infolge eines in der Nacht vom 6. zum 7. Dezember in Zürich stattfinden Balles hier unabkömmlich bin. Mit vielen Grüßen an Euch, Euer untertänigster Diener... Wolfgang Pauli

7 Zerfall des Neutrons - Geburt des Neutrinos Neutron Proton e - Q Q=-1/3= +2/3 Q = -1/3 du v e d u n p + e + ν e Q = +2/3 Verantwortlich für die Umwandlung des d-quarks in u-quark: schwache Kernkraft (elektroschwache Wechselwirkung)

8 Wolfgang Pauli in Hamburg (1955) 1925 Geneva 1922 Assistent an der Universität Hamburg 1924 Habilitation in Hamburg (Entdeckung des Ausschließungsprinzips) 1945 Nobelpreis für das Ausschließungsprinzip

9 Erster Nachweis des Neutrinos 1956 F. Reines 1995 Cowan und Reines Neutrinos erzeugt durch Kernreaktor Nachweis durch Neutrinoeinfang, Szintillator, PMT s Nobelpreis für Reines 1995

10 Fundamentale Teilchen Quarks: Leptonen: u c t v e v μ v τ d s b e μ τ Austauschteilchen der Kräfte: Graviton Photon Gluon W,Z

11 Fundamentale Theorien Elektromagnetismus Schwache Wechselwirkung Gravitation Elektroschwache Wechselwirkung Supersymmetrie? Stringtheorie Starke Wechselwirkung: Quantenchromodynamik (QCD) Quantenmechanik Relativitätstheorie

12 Grosse Fragen in der Teilchenphysik: Gibt es das Higgs-Teilchen? Wie werden die Teilchenmassen erzeugt? Warum Materie Antimaterie Asymmetrie? (CP-Verletzung) Wie groß ist die Neutrinomasse? Gibt es Supersymmetrie? Wie hängen die 4 fundamentalen Wechselwirkungen zusammen? GUT? Stringtheorie?

13 Kosmologie wird experimentell! WMAP

14 Woraus besteht das Universum? 4% bekannte Materie (Protonen, Neutronen ) 23% kalte dunkle Materie unbekannte Teilchen! 76% dunkle Energie Niemand weiss bisher was das ist!

15 Teilchenphysik in Hamburg: DESY Eines der weltweit führenden Beschleunigerlabors: Erster Nachweis des Gluons! Wesentliche Beiträge zur QCD, Physik schwerer Quarks (c und b quark), Physik des Tauleptons Im Moment Beschleuniger HERA (Experimente H1 und ZEUS) Zukunft: Beteiligung an ILC (International Linear Collider) Physik mit Synchrotronstrahlung Zukunft: europäisches Röntgenlaserprojekt XFEL

16 Orientierungseinheit SS2005 Was ist Physik? Caren Hagner, Universität Hamburg

17 Neue DESY ILC XFEL

18 Teilchenphysik in Hamburg: CMS Beteiligung am LHC Programm des CERN (CMS Experiment: ~ 2000 Physiker!)

19 Teilchenphysik in Hamburg: Neutrinos Beteiligung am OPERA Experiment am Gran Sasso Untergrundlabor in Italien Neutrinostrahl (v μ ) vom CERN zum Gran Sasso Untergrundlabor 732 km LNGS Neutrinooszillationen!

20 Neutrinos vom CERN Gran Sasso Untergrundlabor LNGS

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22 + Astroteilchenphysik in Hamburg Beteiligung am HESS Experiment in Namibia Atmosphärisches Cerenkov Teleskop für hochenergetische Gammastrahlen ( ~ 100 GeV - TeV Bereich) Supernova-Überrests RX J im Sternbild Scorpio

23 Neues Bild der Milchstraße! Große Frage der Astroteilchenphysik: Was sind die extrem hochenergetischen Teilchen (10 20 ev!)? Wie und wo werden sie so stark beschleunigt?

24 Interessante Experimente

25 Super-Kamiokande Neutrinodetektor (Japan): Sonnenneutrinos Atmosphärische Neutrinos Beschleunigerneutrinos Reaktorneutrinos

26 Wiederaufbau fand (teilweise) statt

27 Neutrinoteleskope: ANTARES im Mittelmeer (2400m Tiefe) 350 m 100 m

28 Neutrinoteleskope: AMANDA am Südpol (im Eis 2000m Tiefe) road to work South Pole Dome AMANDA 1500 m Summer camp 2000 m [not to scale] Amundsen-Scott South Pole station

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30 Physik - Grundlagenforschung Hochenergiephysik Fusionsforschung Astrophysik Astroteilchenphysik Hadronen- und Kernphysik Kondensierte Materie

31 Atom- und Molekülphysik Institut für Laserphysik: Eigenschaften von kohärentem Licht und kohärenter Materie, sowie deren Wechselwirkungen Neuartige Laserquellen Bose-Einstein Kondensation

32 Kondensierte Materie Strukturen Hamburger Mikrostrukturzentrum Halbleitertechnologie, Rastersensormethoden, dünne Schichten, Nanotechnologie, Grenzflächenphysik, Supraleitung und Magnetismus

33 Physikstudium in Hamburg Fachbereich Physik steht in Forschungsrankings an vorderster Stelle (neben TU München, RWTH Aachen, Uni Heidelberg) Evaluation der Forschung durch das BMBF ergab exzellente Bewertung Sie haben die Qual der Wahl zwischen hervorragenden Forschungsgruppen, die alle an der cutting edge der Physik arbeiten.

34 Gute Berufsaussichten Arbeitsmarkt für Physiker hat sich stabilisiert Erhöhte Chancen wenn Arbeitssuche nicht nur in den traditionellen Gebieten Mittelfristig wird Mangel in Natur- und Ingenieurswissenschaften erwartet

35 Zusammenfassung Physik ist schweres Studium Es lohnt sich aber! Chance die Grenzen unseres Wissens selbst zu erweitern. Forschung an vorderster Front! Sehr vielseitige Tätigkeiten - Für jeden etwas: Bastler, Abenteurer, Künstler, Buchhalter, Politiker, Manager, Lehrer Anforderungen (außer den fachlichen): Flexibilität, Lernbereitschaft (auch später!), Teamfähigkeit, Fremdsprachen, Kreativität Hamburg bietet ausgezeichnete Chancen Berufsaussichten (relativ) sehr gut

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