Bausteine der Materie

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1 Prof. Dr. Physik Heute 16. März /03/06 / Page 1

2 Einige Grundfragen der Physik Woraus bestehen wir? Welches sind die fundamentalen Teilchen? Welches sind die Kräfte, die alles zusammenhalten? Gibt es eine einfache, einheitliche Beschreibung für das Ganze? Woher kommen wir? Wohin gehen wir? 15/03/06 / Page 2

3 Überblick des Vortrages Raten, Philosophieren, Experimentieren Die Größe der Bausteine Die ersten Bausteine Teilchenbeschleuniger Die Quarks Kräfte Die Entwicklung des Universums Zusammenfassung 15/03/06 / Page 3

4 Die Elementarteilchen? Stein Erde Für eine 9 Jährige Wasser Feuer Luft 15/03/06 / Page 4

5 Griechische Philosophie Elemente und Kräfte: v.chr. Empedokles Vier Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft Zwei Urkräfte: Liebe, Haß Mischung, Trennung Symmetrien: v.chr. Platon Symmetrische Körper: Schönheit der Gesetze Kleinste Bausteine: v.chr. Demokrit Atome: verschiedene Formen und Gewichte Leere: Verbindung und Bewegung im Nichts 15/03/06 / Page 5

6 Besser als Philosophieren: Experimentieren bloßes Auge: ~ 1mm Auge plus Lupe: ~1/10 mm 10 fach vergrößert Auge und Mikroskop: ~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer) 1000 fach vergrößert Immer noch keine Bausteine sichtbar Wie groß sind sie eigentlich? 15/03/06 / Page 6

7 Wie kann man µm sehen? Was heisst überhaupt sehen? Sehen = Abbilden Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor) Wichtig: Auflösungsvermögen : Fähigkeit, Strukturen einer bestimmten Größe zu erkennen Dazu nötig: Größe der Projektile << Größe der Strukturen Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen 15/03/06 / Page 7

8 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle 15/03/06 / Page 8

9 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Tennisbälle 15/03/06 / Page 9

10 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Murmeln 15/03/06 / Page 10

11 Einschub: nützliche Einheiten für Teilchen Größe: 1 fm = 1 Femtometer ( Fermi ) 1 nm = 1 Nanometer 1 µm = 1 Mikrometer Energie: 1 ElektronVolt = 1eV 1 KiloElektronVolt 1 MegaElektronVolt 1 GigaElektronVolt = m = 10-9 m = 10-6 m = 0, m = 1 kev = ev = 1 MeV = ev = 1 GeV = ev 1 GeV: viel für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0, Sekunden zum Leuchten bringen 15/03/06 / Page 11

12 Energie und Masse Geeignete Einheiten für Masse: GeV / c2 Laut Einstein: E = m c2 Mit Energie in GeV Masse in GeV / c2 oder MeV / c2 Elektronmasse, me 0.5 MeV / c2 Protonmasse mp 1 GeV / c2 Aus wenig Masse bekommt man viel Energie, weil: c = km / s c2 = m2 / s2 15/03/06 / Page 12

13 Treffgenauigkeit Quantenmechanische Eigenschaft eines Teilchens (Heisenbergsche Unschärferelation) Hat *keine* Entsprechung in unserer Erfahrungswelt (Notbehelf: Wellenbild, *sehr* irreführend) Grundregel (für hochenergetische Teilchen): Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV) Zum Beispiel: 0,2 fm bei 1 GeV = 1000 MeV 200 fm bei 1 MeV = 1000 kev 10 nm bei 20 kev 0,1 µm bei 2 ev >0,15µm 15/03/06 / Page 13

14 Mögliche Projektile für Strukturen < µm Sichtbare Lichtteilchen (!) (Photonen bei ev) Punktförmig (< fm) Treffgenauigkeit: 0.8 µm 0.4 µm ( Wellenlänge ) Röntgenstrahlen (Photonen bei 20 kev) Punktförmig (< fm) Treffgenauigkeit: µm (~ 1/10 Atomradius) Abbildung schwierig, da nicht fokussierbar Elektronen bei 20 kev Punktförmig (< fm) Treffgenauigkeit: µm (~ 1/10 Atomradius (!) ) Protonen bei 2 GeV Größe: 1 fm Treffgenauigkeit: 0.1 fm (~ 1/10 Protonradius)... 15/03/06 / Page 14

15 Wie klein sind Meter? 1 Meter 10-9 Meter oder 1/ Meter oder 1 nm Meter oder 1/ Meter oder fm 10 Meter -9 15/03/06 / Page 15

16 Das erste Elementarteilchen J.J. Thompson (1897) Das Elektron - entdeckt vor mehr als 100 Jahren! e/me ungefähr 2000 mal größer als ein Wasserstoffatom e: Ladung des Elektrons me: Masse des Elektrons 15/03/06 / Page 16

17 Antimaterie Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Ladungsvorzeichen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Materie- und Antimaterieteilchen können paarweise aus Energie entstehen Umgekehrt können sich diese wieder zu Energie vernichten 15/03/06 / Page 17

18 Das zweite Elementar(anti)teilchen Anderson (1933) Impuls: p = mv In einem homogenen Magnetfeld senkrecht zur Ebene: p = 0.3 B r p in GeV / c B in Tesla r in m 23 MeV/c 6 mm Pb 63 MeV/c Das Positron - entdeckt vor mehr als 70 Jahren! e/me ungefähr 2000 mal größer als ein Wasserstoffatom Dieselbe Masse wie ein Elektron mit umgekehrter Ladung (+e) 15/03/06 / Page 18

19 Die Struktur des Atoms Beschuss mit Heliumkernen (α-strahlung) auf Goldfolie Größe: 1.5 fm, Treffgenauigkeit: 1 fm E. Rutherford (1911) 15/03/06 / Page 19

20 Die Struktur des Atoms Atomdurchmesser: fm Harter Kern: 5 fm (Kern : Atom) wie (Kirsche : Fussballfeld) 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff Beobachtung einzelner Protonen 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium Beobachtung einzelner Neutronen Erkenntnis: Kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen Umgeben von einer riesigen Elektronhülle 15/03/06 / Page 20

21 Die Bausteine vor 1950 Neutrino n neutron p protron Elektron Positron νe e + e Wie dringt man tiefer in die Materie ein? 15/03/06 / Page 21

22 Höhenstrahlung Reaktionsprodukte (primärer) kosmischer Strahlung Sehr kurzlebige Teilchen zerfallen in langlebiger Erdoberfläche: Einige 100 Teilchen pro Quadratmeter in jeder Sekunde Meist Myonen (µ) 15/03/06 / Page 22

23 Pionen und Myonen Zuerst gemessen in Photoemulsion Muon Spuren sind ungefähr 600 µm lang 2 neue Teilchen in der Höhenstrahlung: π: mπ = 140 MeV/c μ: mμ = 105 MeV/c Kopie des Elektrons aber 200x schwerer? 1/10 der Protonmasse I.I. Rabi Who ordered that 15/03/06 / Page 23

24 Einstein (wieder) bei der Arbeit Wie erreichen Myonen und Pionen die Erde? Mittlere Myon Lebensdauer: 2.2 µs Lichtgeschwindigkeit km/s Mittlere Flugentfernung 660 m Spezielle Relativität Zeitdilation τ' = τ / (1 v2/c2) oder τ' = (E / m) τ Myonenergie 1 GeV/c2 Mittlere Lebensdauer 21 µs Mittlere Flugentfernung 6.3 km! 15/03/06 / Page 24

25 Erkenntnisse aus Pion/Myon Zerfall Pionen zerfallen in ein sichtbares und ein unsichtbares Teilchen π+ μ+ υμ und π μ υ μ Myonen zerfallen in ein sichtbares und >1 unsichtbare Teilchen: μ+ e+ υe υμ und μ e υe υμ Die unsichtbaren Teilchen werden Neutrinos genannt Weitere Experimente zeigten ein Neutrino mit dem Elektron assoziert, νe ein Neutrino mit dem Myon assoziert, νμ Wie kommt man weiter? Wie dringt man tiefer in die Materie ein? Wie macht man kontrollierte Experimente? 15/03/06 / Page 25

26 Wie kann man Meter sehen? Ein Kreisbeschleuniger Der Beschleuniger in Ihrem Wohnzimmer 3 km Die Version der Teilchenphysik 6 bis 27 km Umfang 15/03/06 / Page 26

27 Ein Teilchenbeschleuniger Deutsches ElektronenSynchrotron DESY in Hamburg HERA 6,5 km Umfang, m unter der Erdoberfläche Ein Blick in den Tunnel Proton-Struktur untersuchen, anhand der Elektron-ProtonKollisionen 15/03/06 / Page 27

28 Das Innenleben des Protons Streuexperimente können Strukturen auflösen Je höher die Energie je besser die Auflösung Ein Proton besteht aus 3 Quarks 2 Up (u) Quarks 1 Down (d) Quark Die Quarks scheinen punktförmig zu sein ~50% des Impulses von Klebemittel (Gluonen) getragen Bei hochenergetischen Kollisionen pp, ep,... werden viele andere, meist sehr kurzlebige, Teilchen auch produziert es gibt 3 Quarksorten u,d,s (strange) 15/03/06 / Page 28

29 Das Innenleben des Protons mit HERA-Brillen Das Proton ist ziemlich kompliziert! Einige hundert Quarks und Gluonen Je genauer man hinschaut, je mehr Gluonen (und Quarks) sieht man Welche Quarksorten sieht man? 15/03/06 / Page 29

30 Die Bausteine vor 1974 Quarks up down u d s Leptonen Neutrinos Elektron νe νμ e μ Myon strange + Antiteilchen! 1974: Der erste Elektron-Positron Beschleuniger Neue Experimente mit sehr guter Auflösung 15/03/06 / Page 30

31 Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 Elektronische Bilder 15/03/06 / Page 31

32 Teilchenidentifikation = Detektivarbeit Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombinationen von Signalen in den Komponenten 15/03/06 / Page 32

33 Direkter Nachweis von Quarks im Proton e-p Kollisionen bei HERA am DESY 27 GeV e p 920 GeV 15/03/06 / Page 33

34 Wieviel gibt es? Bis Quarks (u,d,s) 2 geladene Leptonen (e, µ) 2 Neutrinos + ihre Antiteilchen The November Revolution! eine Resonanz! Gesehen in 2 verschiedenen Experimenten Interpretiert als ein cc atomartiger Zustand Der 4. Quark - charm Richter et al, Mark I, SPEAR, SLAC 15/03/06 / Page 34

35 Wieviel gibt es? 1975 Noch ein geladenes Lepton! Tau Lepton, τ 1977 Noch ein Quark! bottom (beauty) Quark Ab Quarks 3 geladene Leptonen 3? Neutrinos + ihre Antiteilchen 15/03/06 / Page 35

36 Die Bausteine ab 1977 Quarks Leptonen charm up down u c d s b Neutrinos strange bottom/ beauty (Fast) 3 Familien von Elektron Myon Tau νe νμ (ντ) e μ τ + Antiteilchen! Da fehlt was! 15/03/06 / Page 36

37 Die Massen der Bausteine Neutrino Massen 1-2 ev Wie schwer ist das top Quark? 15/03/06 / Page 37

38 Entdeckung des top Quarks 20 Jahre Arbeit bei immer höheren Energien PETRA, DESY, Hamburg mt > 23 GeV / c2 Tristan, KEK, Japan mt > 30 GeV / c2 mt = 173 GeV / c2 LEP, CERN, Genf mt > 45 GeV / c2 e+e Beschleuniger hatten nicht genügend Energie Nicht gesehen in pp Kollisionen bei 540 GeV Entdeckt 1995 in pp Kollision bei einer Schwerpunktsenergie von 1800 GeV! Top Quark Eigenschaften noch nicht präzise gemessen, aber genau wie erwartet, trotz der großen Masse?! 15/03/06 / Page 38

39 Die Massen der Bausteine Neutrino Massen 1-2 ev 15/03/06 / Page 39

40 Die Bausteine seit 2000 Quarks up u d down charm c s strange Leptonen top t b Neutrinos bottom/ beauty Elektron Myon Tau νe νμ ντ e μ τ + Antiteilchen! Die Bausteine sind komplett? 15/03/06 / Page 40

41 Kraft durch Teilchenaustausch Abstoßend Anziehend Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen 15/03/06 / Page 41

42 Konzept der Wechselwirkungen Wechselwirkung: Kraftwirkung zwischen Teilchen Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion 4 fundamentale Wechselwirkungen Gravitation (Schwerkraft) S Elektromagnetismus N Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung q q n n pp n n np n p p np np pp p n 15/03/06 / Page 42

43 Was ist eigentlich eine Ladung? Eine fundamentale Eigenschaft eines Teilchens Ladungen sind additiv: Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren 15/03/06 / Page 43

44 Die Elektromagnetischen Wechselwirkung Ladung: elektrische Ladung Q Arten: 1 Ladungsart: Zahl, positiv oder negativ Botenteilchen: Photon Eigenschaften: elektrisch neutral: Q=0 masselos : m=0 Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung +2/3-1/3 O -1 Besonderheiten: Nimmt mit Abstand ab; unendliche Reichweite Makroskopisch beobachtbar Magnetfelder lenken elektrisch geladene Teilchen ab, umso weniger je höher deren Energie ist 15/03/06 / Page 44

45 Die starke Wechselwirkung Ladung: starke Ladung Arten: 3 Ladungsarten: Farbe, plus jeweilige Antifarbe Botenteilchen: 8 Gluonen Eigenschaften: tragen selber je 1 Farbe und Antifarbe masselos : m=0 Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung r, b, g r, b, g Besonderheiten: Nimmt mit Abstand zu; endliche Reichweite ca 1 fm Hält p, n und Atomkern zusammen Makroskopisch nicht beobachtbar, außer radioaktiver Zerfall Heliumkerne (α-strahlung) 15/03/06 / Page 45

46 Die schwache Wechselwirkung Ladung: schwache Ladung (I1, I2, I3) Arten: 1 Ladungsart: Zahlentriplett Botenteilchen: W, Z, W+ Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I3 = -1, 0, 1 Masse : m = GeV / c2 Teilchen Up Down Neutrino Elektron I3 +1/2-1/2 +1/2-1/2 Besonderheiten: Endliche Reichweite ca fm Makroskopisch nicht beobachtbar, außer Brennen der Sonne Radioaktiver Zerfall des Neutrons Analog: Zerfall des Myons µ e νe νμ 15/03/06 / Page 46

47 Zusammenfassung Kräfte Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren Sowie die Bildung von Teilchenjets aus Quarks 15/03/06 / Page 47

48 Anzahl der Familien Anzahl der Neutrino Sorten aus Zerfällen des Z-Bosons Je mehr Zerfallskanäle, desto kürzer die Lebensdauer Durch Heisenbergsche Unschärferelation sind Lebensdauer und Unsicherheit in der Masse umgekehrt proportional Es gibt 3 Familien von leichten Neutrinos 15/03/06 / Page 48

49 Das vollständige Set der Bausteinteilchen Das 4er Set der 1.Baustein-Generation wiederholt sich genau zweimal Niemand weiss warum 15/03/06 / Page 49

50 Woraus besteht unsere Welt? von den Griechen bis m 10-8 m m Atom m Atomkern Zeit m Proton, Neutron < m Quarks Ausdehnungsdimension jetzt Jahre 100 s 1s Urknall 15/03/06 / Page 50

51 Rückblick zum Urknall Alter Temp Energie s s s s s 10-6 s 1043 K 1028 K 1022 K 1017 K 1015 K 1015 K 1013 K 1010 K 109 K 104 K 100 GeV 1 GeV 1 MeV 0.1 MeV 1 kev 1 ev 3K 10-4 ev 1s 1 min 1 Jahr Jahre Heute 1019 GeV 1015 GeV 109 GeV 104 GeV Größe Nadelspitze Tennisball 50 km wie Sonne im Bereich von Theorien wie Sonnensystem 1 Lichtjahr 50 Lichtjahre wie Milchstraße 1 Million Lichtjahre 1 Milliarde Lichtjahre durch Experimente gesichert 15/03/06 / Page 51

52 Woraus besteht/bestand das Universum? Der Urknall Quarks & Gluonen Kerne entstehen Atome entstehen Galaxien entstehen Leben entsteht 15/03/06 / Page 52

53 Zusammenfassung scheinen die fundamentalen zu sein Größe < fm Sie sind in 3 Familien eingeordnet Die Wechselwirkungen der Bausteine sind gut verstanden Eine einheitliche theoretische Beschreibung von 3 der 4 Kräften existiert Warum 3 Familien? Für unser Welt reicht 1 Familie? Woher kommen die Massen der Teilchen? Vielleicht Warum sind sie so einige Antworten unterschiedlich? Aber!? in den nächsten Jahren? Warum besteht das Universum hauptsächlich aus Materie? Woraus bestehen die 95% der Masse/Energie, die wir nicht kennen? 15/03/06 / Page 53