Das Mysterium der Masse

Transkript

1 Das Mysterium der Masse - Die Jagd nach dem Higgs-Teilchen mit ATLAS Markus Schumacher Schülervorlesung, 21. Februar 2007, Universität Siegen

2 Der Begriff der Masse in der Physik F = m a Trägheit Newtons 2. Axiom F = m G N M R 2 Schwere Newtons Gravitationsgesetz m = E/c 2 Einsteins berühmte Gl. (für Partikel in Ruhe) aber was macht nun eigentlich Masse? 2

3 E=mc 2 und die Einheit des Elektronvolt E = mc 2 Zuwachs der Energie des Protons 1 GeV Masse des Protons 52 GeV Masse eines Eisenatoms 0.5 MeV Masse des Elektrons ev Temperatur in diesem Raum 2.3 x ev heutige Temperatur des Universum 3

4 Wasserstoffatom: Masse = m p + m e -E bind.= ev Heliumkern: Masse = 2m p + 2m n -E bind.= 2x938MeV+2x939MeV-28MeV Nukleon (Proton/Neutron): Masse = 3 m q -E bind.=? so einfach ist es diesmal nicht! up up down M q = 5 bis 10 MeV 4

5 Prinzip von Kraftwirkungen Kräfte = Austausch von Botenteilchen z.b. Elektromagnetismus: zwei Elektronen tauschen ständig Photonen aus. Stärke hängt von Ladung der Materieteilchen (hier e) Zeit e Feynman-Graph e u. Masse des Boten (hier 0) ab 5

6 Die 4 Kräfte und ihre Botenteilchen n p p n n pn p n p n n n p p p p p n 6

7 Elektromagnetismus gewinnt gegen Schwerkraft um das fache 7

8 Feynman-Graph Die schwache Kraft Austausch von W und Z Teilchen. schwache Ladung etwas grösser als el.-mag. aber Masse von W, Z etwa 85 x M Proton endliche Reichweite ca fm Stärke 1/10000 x elektromagnetische Kraft -> Makroskopisch nicht beobachtbar, außer Brennen der Sonne Radioaktive Umwandlung p+p D+e+ν ( Zerfall ) des Neutron 8

9 Die starke Kraft: Quantenchromodynamik Botenteilchen = 8 Gluonen (glue = Leim) 3 Ladungen: rot, grün, blau Quark Quark Quarks sind eingesperrt, es gibt nur farbneutrale Objekte Feldlinienverlauf Elektromagnetismus Starke Kraft Photon trägt keine Ladung Gluonen sind farbgeladen 9

10 Die Masse des Protons aus der starken Kraft viel Energie im Feldschlauch gespeichert wenn man versucht 2 Quarks zu trennen entsteht lieber ein qq-paar endliche Reichweite ca 1 fm hält p, n u. Atomkern zusammen makroskopisch nicht beobachtbar, außer im radioaktiven α-zerfall n p p n n pn p n p n n n p p p p p n Masse des Protons: M = E/c 2 Energie der Bindung (Gluonen und aller Quarks) auch wenn Quarks masselos wären

11 Das vollständige Set der Bausteinteilchen Das 4er Set der 1.Baustein-Generation wiederholt sich genau 2 Mal 11

12 Elementare Teilchen haben unterschiedliche Massen? Warum? Experiment: alle Teilchen bis auf Gluonen und Photonen besitzen eine Masse Theorie bis 1964: alle Teilchen müssen masselos sein, sonst bricht das Modell zusammen und keine Vorhersagen sind möglich Die Massen der elementaren Teilchen sind sehr unterschiedlich! z.b. u-quark GeV t-quark 175 GeV Was erzeugt diese Massen? 12

13 Teilchenmassen und ihre Bedeutung Elektronmasse: definiert Längenskala unserer Welt Bohrradius a=1/α em m e (m e =0.5 MeV) m e = 0 keine Atombindung R ~ 1/m e m e = 0.02MeV menschliche Riesen 45 m sichtbares Licht im Infrarot m e = 105 MeV Kern-Einfang pe nn energetisch möglich nur Helium, n + ν anderes Universum Ähnliche Argumente für Massen der Quarks: m u < m d 13

14 Teilchenmassen und ihre Bedeutung keine/kleine W-Masse: Fusion in Sternen: p+p D+e+ν Stärke / Häufigkeit ~ 1/M 2 W kurze Brennzeit bei niedriger Temperatur keine Menschen auf der Erde Elementare Teilchen haben Massen. Deren Feinabstimmung ist lebensnotwendig für Entstehung und Entwicklung des Universums, in dem wir leben. Theorie vor 1964: nur masselose Teilchen erlaubt Dilemma! 14

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16 Der Higgs-Mechanismus Leeres Vakuum Alle Teilchen sind masselos und bewegen sich mit derselben Geschwindigkeit, der Lichtgechwindigkeit. Higgshintergundfeld Teilchen wechselwirken mit dem Higgs-Hintergrund- Feld und werden dadurch verlangsamt. Sie erhalten effektiv eine Masse. Die Masse hängt von der Stärke der Wechselwirkung mit dem Hintergrundfeld ab. Higgs-Teilchen Eine quantenmechanische Anregung des Higgsfeldes Eine notwendige Konsequenz dieses Konzepts! 16

17 Potenzielle Energie V und Spontane Symmetriebrechung Frühes Universum Heute s nach dem Urknall Elektroschwacher Phasenübergang Higgsfeld besitzt zwei Komponenten 1) omnipresentes, konstantes Hintergrundfeld v= 247 GeV (Äther) nicht direkt nachweisbar 2) Higgs-Boson H mit unbekannter Masse M H entdeckbar am Large Hadron Collider 17

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20 p, He,... Atmosphäre γ p n Fuji 3776 m π µ primäres Teilchen trifft auf Atmosphäre: km Höhe π ν ν µ γ e e ν ν 20

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22 Nachweis von Teilchen Stossionisation Elektron + Atom Elektron + Elektron + positives Ion + Positives Ion + - Elektron

23 Nebelkammer 23

24 ... erinnern an: Kondensstreifen beim Flugzeug Kondensierter Wasserdampf Rußpartikel aus Triebwerken 24

25 Higgs Produktion am Large Hadron Collider Proton E = mc 2 Proton Welche Energie für die Protonstrahlen? Higgs-Masse im Bereich 100 GeV (Exp.) bis 1000 GeV (Theorie) Aber: Gluonen u. Quarks im Proton kollidieren. Diese tragen im Mittel ~ 1/3 der Energie E Strahl = 1000 GeV * 10 / 2 ~ 5000 GeV Bei LHC werden Protonen mit 7TeV kollidieren! 25

26 Wie beschleunigt man ein Teilchen? mit einem elektrischen Feld! r F = q r E Heutige Beschleuniger: Elektromagnetische Wechselfelder (10 Millionen V/m) 26

27 Prinzip eines Ringbeschleunigers 27

28 mit einem Magnetfeld! Lorentzkraft F = q v B Wie lenkt man ein Teilchen ab? nur senkrechte Ablenkung! Teilchenbahn mν 2 ρ = qνb [ ] [ ] B[ Tesla]= PGeV 0.3 ρ m magnetisches Feld Umfang 27km vorgegeben starke Magnetfelder notwendig (8.3 T = x Erdmagnetfeld) 1232 Supraleitende Magnete (15m, 35t) bei 1.9 Kelvin 7000l hoher flüssiges Stromverbrauch Helium (grösste supraleitende Kühlanlage Magnete der Welt) 28

29 Die zweite Kenngrösse: Luminosität L Wahrscheinlichkeit für Higgs in einem Proton-Proton-Stoss sehr klein! Ereignisrate = Wahrscheinlichkeit (Physik) x Luminosität (Beschleuniger) L = N 1 N 2 A f N: Protonen pro Paket A: Strahlquerschnitt 16µmx16µm f: alle 25 Nanosekunden mal pro Sekunde das Ergebnis: ca. 1 Higgs-Teilchen pro Stunde 29

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31 Das ATLAS Experiment CERN 90m 31

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33 Ein Higgs-Ereignis im ATLAS-Detektor 33

34 Die Higgs-Nadel im Daten-Heuhaufen Erzeugugshäufigkeit bei LHC (logarithmisch) alle Kollisionen nicht interessant Datenvolumen: 1 Million Gigabyte/s 2 Mikrosekunden, online abspeichern evtl interessant (0.0005%) Datenvolumen: 1 Audio-CD/s Schlau aussortieren mögl. Entdeckungen nur % Nur 1 Higgs pro Protonkollisionen!! 34

35 pp-kollision am LHC (simuliert) Higgs 4 Myonen 35

36 Teilchenidentifikation mit ATLAS 36

37 ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS 37

38 Impulsmessung von Teilchen mν 2 ρ = qνb s L/2 r-s r P(GeV) = 0.3 ρ(meter) B(Tesla) 38

39 Rekonstruktion von Spurpunkten Golddraht in gasgefülltem Zylinder (Prinzip ähnlich dem Geiger-Müllerzählrohr) Messe: von Zeitabstand Kollision zu Signal am Draht Kenne/Kalibriere: Geschwindigkeit der Ladungen im Gas Rechne: Abstand Teilchen zu Draht Primär 100 Elektronen/cm zu klein 1/r-Feld: Lawinenbildung > e - Anodendraht: vergoldeter Wolfram 50µm Kathode: dünner Metallzylinder r=15mm Messpunktgenauigkeit: 80 µm 39

40 Online-Ereignis eines kosmischen Myons 40

41 Das Myonspektrometer von ATLAS Technische Herausforderung 1200 Kammern (5500 m 2 Fläche entspricht ~ Fussballfeld) Messgenauigkeit der Spur: 0.05 mm Minikameras zur Positionierung Positionierung der Kammern ~0.04 mm entspricht Haardurchmesser über 15 m 41

42 H ZZ 4 Myonen 42

43 Bestimmung der Masse des Higgs-Teilchens Untergrund µ µ µ µ Signal erwartetes Higgs-Signal nach einem Jahr Messzeit von ATLAS 43

44 Entdecken? Entdecken! Entdeckung = Wahrscheinlichkeit einer Fluktuation (~ 5 Richtige + Zufallszahl) Untergrund Higgs+ Untergrund Mit dem LHC werden wir das Higgs-Teilchen nach etwa 2 Jahren entdecken 44

45 Higgs-Teilchen entdeckt, Teilchenphysik am Ende? 100% 80% 60% Unbekannte Form von dunkler Energie Warum ist Higgs-Masse 100 GeV << M Planck GeV? 40% 20% 0% Neutrinos Gibt es eine Urkraft? Was ist die Struktur Unbekannte Form der Raum-Zeit? von dunkler Materie Gibt es mehr als drei Protonen/Neutronen Raumdimensionen? in Sternen, Staub etc. 45

46 An Stelle eines Schlusswortes 46