Quarks, Higgs und die Struktur des Vakuums. Univ. Prof. Dr. André Hoang

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1 Quarks, Higgs und die Struktur des Vakuums Univ. Prof. Dr. André Hoang

2 Was bewegt 700 Physiker, in Wien zur größten Konferenz über Elementarteilchen des Jahres 2015 zusammenzukommen?

3 Quarks, Higgs und die Struktur des Vakuums Quarks Large-Hadron-Collider Higgs-Boson Antimaterie Quark-Gluon-Plasma Frühes Universum Elektron Neue Physik Standardmodell Extra Dimensionen

4 Quarks, Higgs und die Struktur des Vakuums Anfänge der Teilchenphysik Standard-Modell und Higgs Higgs-Suche am LHC Was geht uns das Higgs an?

5 Prähistorie der Teilchenphysik Experiment Ernest Rutherford (1910)

6 Prähistorie der Teilchenphysik Experiment Ernest Rutherford (1910) θ

7 Prähistorie der Teilchenphysik Wasserstoff (H) 10-8 cm Elektromagnetische Kraft (γ) Theorie: Quantenmechanik

8 Prähistorie der Teilchenphysik Helium (He) 2 Elektronen 2 Protonen 2 Neutronen Elektromagnetische Kraft (γ) Starke Kraft Theorie: Quantenmechanik

9 Anfänge der Teilchenphysik CERN copyright Woher kommt radioaktive Strahlung?

10 Anfänge der Teilchenphysik Victor Hess, 1912 Nobel-Preis, 1936 Entdeckung der kosmischen Höhenstrahlung Schwache Kernkraft

11 Anfänge der Teilchenphysik CERN copyright

12 Teilchen-Zoo ( ) Wilde Zeit der Teilchenphysik

13 Wilde Zeit der Teilchenphysik cm

14 Das Quark-Modell <10-16 cm cm Mesonen und Baryonen sind gebundene Zustände von Quarks. (Gell-Mann, Zweig, 1964)

15 Nachweis der Quarks Tief-inelastische Streuung Von Elektronen und Protonen Robert Hofstadter (1956) Friedmann, Kendall, Taylor (1962) Nobel-Preis 1990 θ

16 Das Standard-Modell Das Standard-Modell CERN copyright

17 Das Standard-Modell Quarks Das Standard-Modell

18 Das Standard-Modell Leptonen Das Standard-Modell

19 Das Standard-Modell Elektro-magnetische Kraft Austausch-Teilchen Das Standard-Modell

20 Das Standard-Modell Elektro-magnetische Kraft Austausch-Teilchen Starke Kraft Das Standard-Modell

21 Das Standard-Modell Elektro-magnetische Kraft Austausch-Teilchen Starke Kraft Schwache Kraft Das Standard-Modell

22 Das Standard-Modell Elektro-magnetische Kraft Starke Kraft Schwache Kraft Das Standard-Modell

23 Das Standard-Modell Elektro-magnetische Kraft Starke Kraft Schwache Kraft Das Standard-Modell

24 Das Standard-Modell Elektro-magnetische Kraft Starke Kraft Schwache Kraft Das Standard-Modell

25 Das Standard-Modell Eich-Symmetrie: Ψ(t,x) e iα(t,x) Ψ(t,x) Elektro-magnetische Kraft Starke Kraft Schwache Kraft Austausch-Teilchen Wechselkurse Das Standard-Modell

26 Das Standard-Modell Eich-Symmetrie: Ψ(t,x) e iα(t,x) Ψ(t,x) Problem: Massen der Teilchen brechen Eichsymmetrie Elektro-magnetische Kraft Starke Kraft Schwache Kraft Das Standard-Modell

27 Higgs-Mechanismus Spannung : V Peter Higgs

28 Higgs-Mechanismus Wie ein Teilchen Masse bekommt. Masse des Teilchens = (Kopplung ans Higgs) x V Buffet

29 Higgs-Mechanismus Wie das Higgs ein Teilchen wird uns Masse bekommt. Masse des Higgs = (Kopplung an sich selbst) x V Buffet

30 Higgs-Mechanismus Spontane Symmetrie-Brechung Peter Higgs Spannung entspricht Vakuumwert V V

31 Higgs-Mechanismus Spontane Symmetrie-Brechung Peter Higgs Spannung entspricht Vakuumwert V V

32 Das Higgs-Feld Elektrisches Feld zwischen einer positiven und einer negativen Ladung.

33 Das Higgs-Feld (t) =e im t Masse entspricht der Oszillationsfrequenz der Teilchenwellen. Die Higgs-Feld hat keine Richtung. Seine Feldstärke V entspricht der Federhärte.

34 Das Standard-Modell Eich-Symmetrie: Ψ(t,x) e iα(t,x) Ψ(t,x) Spontane Symmetriebrechung: Elektro-magnetische Kraft Starke Kraft Schwache Kraft Das Standard-Modell Renormierbare Quanten-Feld-Theorie

35 Renormierbare Quanten-Feld-Theorie Elementarteilchen-Prozesse können mit hoher Genauigkeit berechnet werden.

36 Higgs-Theorie Erzeugung von Higgs-Teilchen Wieviele sind zu erwarten? Wie kann man das Higgs beobachten? Aus dem Standard-Modell berechenbar - Arbeit für Theoretiker -

37 Higgs-Produktion Proton

38 Higgs-Produktion Erzeugungsraten (Wirkungsquerschnitte) Higgs-Produktion ist sehr selten! Rate: 10-9

39 Higgs-Zerfälle (Zerfallskanäle) Higgs-Zerfall

40 Higgs-Zerfall Higgs-Zerfälle (Zerfallskanäle) Lebensdauer: Ca sec Higgs-Teilchen nicht direkt sichtbar! Higgs-Suche = Suche nach den Zerfallsprodukten

41 Higgs-Nachweis Wie kann man das Higgs sehen, obwohl es nicht direkt sichtbar ist? (Arbeit für Experimentalphysiker)

42 Higgs-Nachweis Massenrekonstruktion Energie-Einheit: GeV (Elektron-Volt) m Proton = 1 GeV Energie und Impuls sind Erhaltungsgrößen! E 1 + E 2 + E = E h ~p 1 + ~p 2 + ~p = ~p h 2 Eh c 2 ~ph c 2 = m 2 h h

43 Higgs-Nachweis Invariante Massenverteilung Signal

44 Higgs-Nachweis Invariante Massenverteilung Signal (realistisch, z.b. Messfehler)

45 Higgs-Nachweis Hintergrund-Prozesse: 2 jets jet jet pp qq H + X µ ZZ e e e + e µ + µ µ

46 Higgs-Nachweis Hintergrund-Prozesse: 2 jets jet jet pp qqzz + X µ e e e + e µ + µ µ

47 Higgs-Nachweis Invariante Massenverteilung Hintergrund

48 Higgs-Nachweis Invariante Massenverteilung Signal + Hintergrund

49 Higgs-Nachweis Invariante Massenverteilung Signal + Hintergrund

50 Higgs 4 Leptonen Higgs-Nachweis

51 Higgs 4 Leptonen Higgs-Nachweis

52 Higgs-Nachweis Higgs 4 Leptonen m h = 126 GeV

53 Higgs-Verzweigungsverhältnisse Higgs-Nachweis

54 Higgs-Nachweis Higgs-Verzweigungsverhältnisse µ=1.30±0.20 µ=0.80±0.14

55 Large Hadron Collider Francois Englert & Peter Higgs Nobel-Preis für Physik 2013 Dr. Bergauers Vortrag Donnerstag 18:30 Uhr

56 Higgs-Boson Na und?

57 Was geht uns das Higgs-Teilchen an?

58 Was geht uns das Higgs-Teilchen an? Nucleare Energie Higgs-Energie Nur 1% der Masse der Materie, aus der wir gemacht sind, kommt vom Higgs. 99% ist Kern-Energie.

59 Higgs und die Energieerzeugung der Sonne M w = 85.7 m Proton Das W-Boson hat vom Higgs-Boson genau die richtige Masse, so dass die Fusionreaktionen in der Sonne mit der für unser Leben richtigen Intensität ablaufen.

60 Higgs-Potential und unser Vakuum Energie Higgs-Potential Higgs-Feldstärke Wir leben hier

61 Higgs-Potential und unser Vakuum Energie Higgs-Potential Higgs-Feldstärke Wir leben hier

62 Higgs-Potential und unser Vakuum Energie Higgs-Potential Higgs-Feldstärke Wir leben hier

63 Higgs-Potential und unser Vakuum Energie Higgs-Potential Higgs-Feldstärke Wir leben hier Falsches Vakuum Wahres Vakuum

64 Higgs-Potential und unser Vakuum

65 Higgs-Potential und unser Vakuum Quanten-Fluktuationen im Vakuum (Gluonfeld-Fluktuationen)

66 Higgs-Potential und unser Vakuum Energie Higgs-Potential Higgs-Feldstärke Wir leben hier Falsches Vakuum Wahres Vakuum

67 Higgs-Potential und unser Vakuum Energie Higgs-Potential Higgs-Feldstärke Wir sind jetzt hier Korrektes Vakuum

68 Higgs-Potential und unser Vakuum Frühes Universum: symmetrische Phase Wir sind jetzt hier: unsymmetrische Phase

69 Die Vakuum-Stabilität und das Top-Quark Top quark Higgs M Higgs = m Proton m Top = m Proton H H H H T Die Masse des Top-Quarks hat einen starken Einfluss auf Form des Higgs-Potentials. H H H H

70 Higgs-Potential und unser Vakuum Lebensdauer unseres Vakuums: Jahre Aber die Blase könnte sich schon irgendwo geformt haben und auf dem Weg hierher sein.

71 Higgs-Boson im Frühen Universum Möglicherweise hat das Higgs-Boson eine Rolle in der inflationären Phase unseres Universums gespielt.

72 Quarks, Higgs und die Struktur des Vakuums Univ. Prof. Dr. André Hoang Dank an alle Teilchenphysiker, deren Arbeiten ich für den Inhalt dieses Vortrages genutzt habe.

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