Fundamentale Physik. < Grundfrage der Menschheit: woraus besteht, wie funktioniert alles? Teilchenphysik, Allgemeine Relativitätstheorie, Kosmologie

Transkript

1 Fundamentale Physik > < Grundfrage der Menschheit: woraus besteht, wie funktioniert alles? Teilchenphysik, Allgemeine Relativitätstheorie, Kosmologie

2 Phänomene

3 Phänomene Schwerkraft Radiowellen Licht

4 Phänomene Festkörper, Flüssigkeiten Chemische Verbindungen Metalle

5 Phänomene

6 Phänomene

7 Vergangenheit

8 Vergangenheit

9 Fundamentale Physik Einzelphänomene => Grundgesetze Teilchenphysik + Allgemeine Relativitätstheorie Entwicklung des gesamten Universums Kosmologie

10 Inhalt Erkenntnis: Es gibt kleinste Bausteine Heutiger Stand der Elementarteilchenphysik Verbindung zur Kosmologie Offene Fragen

11 Diskret oder kontinuierlich? Materie körnig wie Sand? Oder kontinuierlich wie Wasser?

12 Diskret oder kontinuierlich? Materie körnig wie Sand? Oder kontinuierlich wie Wasser?

13 Diskret oder kontinuierlich? Materie körnig wie Sand? Erkenntnis: Wasser ist gar nicht kontinuierlich!

14 Diskret oder kontinuierlich? Beobachtung z.b. aus Chemie: alle Materie ist aus kleinsten Bausteinen aufgebaut: Atome und Moleküle!

15 Kleinste Bausteine sichtbar machen Warum sehen wir Sandkörner aber keine Atome?

16 Kleinste Bausteine sichtbar machen Warum sehen wir Sandkörner aber keine Atome? Problem: das Licht! Es hat zu große Wellenlänge!

17 Kleinste Bausteine sichtbar machen Warum sehen wir Sandkörner aber keine Atome? Problem: das Licht! Es hat zu große Wellenlänge! Wir brauchen kleinere Wellenlängen!

18 Lichtstrahlen bestehen aus Teilchen E=h f f=e/h Teilchenstrahlen haben Welleneigenschaften

19 Lichtstrahlen bestehen aus Teilchen E=h f f=e/h Teilchenstrahlen haben Welleneigenschaften

20 Lichtstrahlen bestehen aus Teilchen E=h f f=e/h Teilchenstrahlen haben Welleneigenschaften

21 Kleinste Bausteine sichtbar machen Nehme Teilchen statt Lichtstrahlen Lassen sich leichter beschleunigen Hohe Energie=kleine Wellenlänge= hohe Auflösung

22 Übung: Lernen aus Teilchenstrahlen? Beschiesse Tunnel; finde heraus, was drin ist!

23 Übung: Lernen aus Teilchenstrahlen? Beschiesse Tunnel; finde heraus, was drin ist! Mauer immer Rückprall

24 Übung: Lernen aus Teilchenstrahlen Beschiesse Tunnel; finde heraus, was drin ist! Sumpf steckenbleiben Baum selten Rückprall

25 Übung: Lernen aus Teilchenstrahlen? Was ist im Tunnel? Langsame Bälle kommen alle wieder zurück Schnelle Bälle gehen alle durch und sind danach genauso schnell wie vorher A) Baum B) Sumpf C) Hügel

26 Übung: Lernen aus Teilchenstrahlen? Was ist im Tunnel? 50% aller Bälle kommen ungebremst zurück Die anderen 50% werden langsamer oder bleiben stecken Bälle ändern nie die Richtung A) Viele Bäume B) Mauer und Sumpf C) Hügel

27 Übung: Lernen aus Teilchenstrahlen? Was ist im Tunnel? 99% gehen ungebremst durch 1% wird stark abgelenkt oder sogar zurückgeworfen (aber nie ungebremst) A) Betonboden, Medizinball B) Betonboden, Torpfosten C) Sumpf, Baum

28 Rutherford eines der wichtigsten Experimente [Strahlenergie MeV = Mikroskop mit 10^ 12 m Auflösung] a) Rutherfords Erwartung b) Rutherfords Ergebnis

29 Wie verhält sich also ein Atom? A) Hügel mit Baum B) Sumpf C) Hügel

30 Struktur der Materie Elektron 1/ > 0,01 < m Kristall 1/ m Molekül 1/ m Atom 1/ / m Atomkern Bis hier klar m Proton <10-18 m Quark Wie finden wir das heraus?

31 Struktur des Protons Analoges Experiment am DESY/Hamburg Elektron m Proton Kollision bei hoher Energie, entsprechende Wellenlänge << m

32 Struktur des Protons Analoges Experiment am DESY/Hamburg [Strahlenergie GeV = Mikroskop mit 10^ 15 m Auflösung]

33 Struktur des Protons Ergebnis: Proton besteht aus kleineren Bestandteilen Je nach Energie ist es unterschiedlich wahrscheinlich, diese Bestandteile zu treffen

34 Weitere Hochenergieexperimente [Strahlenergie GeV = Mikroskop mit 10^ 18 m Auflösung] Tevatron (Fermilab/USA) LEP (CERN)

35 Struktur der Materie Elektron 1/ > 0,01 < m Kristall 1/ m Molekül 1/ m Atom 1/ / m Atomkern m Proton <10-18 m Quark Daraus: Heutiges Wissen: Materie aus unteilbaren Elementarteilchen aufgebaut Quarks und Elektronen

36 Teilchenkollisionen: Zwei Aspekte 1)E=h f, f=e/h Hohe Energie => Mikroskop mit hoher Auflösung Wir kennen die fundamentalen Bausteine aller Materie 2)E=mc, 2 m=e/c 2 Hohe Energie => Erzeugung neuer Teilchen Wir kennen viele weitere Elementarteilchen; diese passen in ein sehr einfaches Schema

37 Teilchenkollisionen: Zwei Aspekte 1)E=h f, f=e/h Hohe Energie => Mikroskop mit hoher Auflösung Wir kennen die fundamentalen Bausteine aller Materie 2)E=mc, 2 m=e/c 2 Hohe Energie => Erzeugung neuer Teilchen Wir kennen viele weitere Elementarteilchen; diese passen in ein sehr einfaches Schema

38 Teilchenkollisionen: Zwei Aspekte 1)E=h f, f=e/h Hohe Energie => Mikroskop mit hoher Auflösung Wir kennen die fundamentalen Bausteine aller Materie 2)E=mc, 2 m=e/c 2 Hohe Energie => Erzeugung neuer Teilchen Wir kennen viele weitere Elementarteilchen; diese passen in ein sehr einfaches Schema

39 Heutiger Stand Heutiger Stand

40 Standardmodell Standardmodell Eine der erfolgreichsten physikalischen Theorien Beschreibt alle Teilchen und Kraefte Mit hoechster Genauigkeit

41 Standardmodell Standardmodell E=mc 2

42 Physikalische Aussagen Elementare Teilchen Prozesse

43 Physikalische Aussagen Elementare Teilchen Anschaulich Kraftübermittlung durch Teilchenaustausch

44 Mathematisch

45 Physik I: Elektromagnetismus e,u Photon e,u Moleküle, Chemie, Licht Alltagsphysik

46 Physik II: starke Kraft u Gluon u Atomkerne, Proton

47 Physik II: starke Kraft u Gluon u Aber auch: Glu Gluon Glu Daher stärker, Quarks immer gebunden, nie einzeln

48 Physik III: schwache Kraft e,u W v, d Schwach wegen hoher W Masse W W Ausbreitung schwierig

49 Physik III: schwache Kraft e,u W v, d Schwach wegen hoher W Masse W W Ausbreitung schwierig

50 Heutiges Verständnis Standardmodell Beschreibt alle fundamentalen Teilchen und Kraefte Alltagsphysik Atome High Tech Sterne Frühes Universum

51 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut? Was sind die fundamentalen Teilchen und Kräfte?

52 Kosmologie Teilchenphysik

53 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut?

54 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut? Gewöhnliche Materie, Sterne

55 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut?

56 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut? Undurchsichtig Durchsichtig Übergang erklärt durch Atomphysik

57 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut? Übergang erklärt durch Kernphysik

58 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut? Übergang erklärt durch Elementarteilchenphysik

59 Vom Urknall bis heute

60 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut? Undurchsichtig Diesen Übergang kann man heute noch sehen! Durchsichtig Übergang erklärt durch Atomphysik

61 Blick in die Vergangenheit Vgl. Nobelpreis 2006

62 Blick in die Vergangenheit Universum früher: heiss, glühend, undurchsichtig

63 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut? Vorgänge verstanden

64 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut? Vorgänge verstanden => Dunkle Materie

65 Dunkle Materie durch viele Beobachtungen erwiesen Sichtbare Materie Dunkle Materie

66 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut? Vorgänge noch nicht verstanden Gab es frühere Phasenübergänge? Woher kommt die dunkle Materie?

67 Offene Fragen Warum 3 Kraefte? Warum 4er Struktur? Warum Quarks und Leptonen? Warum 3 Familien?

68 Wie soll man Warum Fragen beantworten? Echter Fortschritt: Warum Wie Fragen

69 Wie soll man Warum Fragen beantworten? Ansatzpunkt: Die einzige verbleibende Wie Frage des SM

70 Wie soll man Warum Fragen beantworten? Wie ist die elektroschwache Symmetrie gebrochen?

71 Heutiger Stand Teilchen haben unterschiedliche Massen! (schwache Kraft!) Ist das mit Relativität und QM vereinbar?

72 Heutiger Stand Teilchen haben unterschiedliche Massen! Ja, aber Higgsmechanismus nötig!

73 Heutiger Stand Teilchen haben unterschiedliche Massen! Elektroschwache Symmetriebrechung

74 Elektroschwache Symmetriebrechung Letztes Raetsel des SM: Massen

75 Elektroschwache Symmetriebrechung Sombrero symmetrisch Stabiler Zustand unsymmetrisch => Unterschiedliche Teilchenmassen

76 Elektroschwache Symmetriebrechung Wie sieht das Sombrero (Higgs )Potential genau aus? Wie kann man es nachweisen? Wodurch wird es erzeugt? (40 Jahre Zeit f. Spekulation!!)

77 Es gibt viele Möglichkeiten Super symmetrie 5te Dimen sion Neuartige Wechselwirkung Ein Higgs boson

78 Pforte zur Erkenntnis Elektroschwache Symmetrie brechung Neue Physik Fundamental neu Erklaert Higgs Warum Fragen

79 Pforte zur Erkenntnis Elektroschwache Symmetrie brechung Verständnis des Universums näher am Urknall

80 Wie ist das Universum entstanden/aufgebaut? Frühere Phasenübergänge? Ursprung dunkler Materie?

81 Hochenergieexperimente am LHC [Strahlenergie bis 14000GeV = Mikroskop mit 10^ 19 m Auflösung] LHC (CERN)

82 Hochenergieexperimente am LHC [Strahlenergie bis 14000GeV = Mikroskop mit 10^ 19 m Auflösung] Ziele: Higgsmechanismus verstehen: Ein Higgsboson, viele, Supersymmetrie, 5te Dimension, etc??? Ausserdem: dunkle Materie verstehen, insgesamt: Beschaffenheit des Universums

83 Zusätzliche Möglichkeit Ausbreitung bekannter Teilchen beeinflusst von neuen Teilchen!

84 Zusätzliche Möglichkeit Messung von magnetischen Eigenschaften bekannter Teilchen

85 Zusammenfassung fundamentale Physik Bekannte Teilchen und Kräfte verstanden, fantastische Theorie Offen: Warum...? dunkle Materie? Higgs/Masse? Wir stehen an der Schwelle zu neuen Erkenntnissen