Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums

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1 Klaus Desch Ringvorlesung 18/12/20 Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums ffl Stand der Elementarteilchenphysik ffl Die großen Fragen ffl Teilchenbeschleuniger ffl Wozu TESLA: Highlights K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 1

2 Elementarteilchen-Physik sucht nach kleinsten Bausteinen der Materie und Beschreibung der Kräfte zwischen ihnen )keine direkte Wahrnehmung )Entwicklung eines theoretischen Modells.. liefert Hinweise fur das Modell THEORIE EXPERIMENT macht widerlegbare Vorhersagen Gute Theorie: = wenig Zutaten (wenig Naturkonstanten) ) Weltformel (Ästhetik $ Symmetrie) K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 2

3 Maßeinheiten Experimente messen = quantitative Aussagen. ) Grundeinheiten klass. Physik Länge Zeit Energie Ladung Temperatur Masse... Teilchenphysik Zusammenhang zwischen den Energie $ Masse E = mc 2 Länge $ Zeit c = ν Energie $ Zeit Temperatur $ Energie Grundeinheiten (Quantentheorie,Relativitätstheorie,...) E = hν E = kt Ladung $ dimensionslos (rel. Stärke einer Kraft) K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 3

4 Maßeinheiten [Energie] = Joule = Ws in der Teilchenphysik: 1 Elektronvolt = 1 ev = Energie eines Elektrons, das von einer Spannung 1 Volt beschleunigt wurde 1eV= J Bindungsenergie äuß. Atomhülle 1 kev = 10 3 ev Bindungsenergie innerer Schalen (Röntgenstrahlung) 1MeV= 10 6 ev Bindungsenergie Atomkern 1GeV= 10 9 ev Masse Proton Bindungsenergie der Quarks 1TeV= ev =?? Energie des TESLA Beschleunigers K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 4

5 Dimensionen und Struktur der Materie 26 Universum 10 m, 10 kg Galaxie 10 m, 10 kg Sonnensystem 10 m, 10 kg Erde 10 m, 10 kg 7 24 Mensch 10 m, 10 kg Atom 10 m, 10 kg -14 Atomkern 10 m, 10 kg -15 Nukleon 10 m, 10 kg Quark, Lepton <10 m, 10 kg????????? S. Bethke K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 5

6 K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 6

7 Drei Familien? Woher wissen wir, dass es wirklich drei Familien sind? ) LEP Beschleuniger (CERN): die (leichten) Neutrinos einer vierten Familie würden sichtbare Effekte hinterlassen N=2 N=3 N=4 DELPHI Energy, GeV K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 7

8 Substruktur? Warum glauben wir, dass die momentan kleinsten Bausteine elementar sind? Wir wissen, dass: r Elektron» m (LEP) und r Quark» m (HERA) (1/1000 Protonradius!) keine Hinweise auf weitere Substruktur Theoretisch nicht favorisiert (aber auch nicht ausgeschlossen)! Experimente! (10 18 m, E = h/! E ο 200 GeV) K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 8

9 Bauplan Materie$Bauplan Universum Urknalltheorie:! am Anfang gesamte Energie des Universums auf sehr kleinen Raum! hohe Energiedichte (hohe Temperatur)! Prozesse, die (heute) nur in Beschleunigern untersucht werden können, waren für den Ablauf der Expansion/Abkühlung des Universums entscheidend. Struktur der Materie $ Entstehung des Universums K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 9

10 Die Entwicklung des Universums Wir sind hier γ GEGENWART Temperatur Alter 2,7 K 15 Milliarden Jahre ν Helium-Atom Wasserstoff-Atom ν γ ν ν e e ν γ p n n p Helium-Kern Q Q Q Proton (Baryonen) Z W ν Q Q e ν Schwere Sterne Q ν Q γ p g Q Q Q Schweres Atom Proto-Galaxie Q e ν g n p n p e γ W e X Q? Q ν L? ν ν Q Y? γ e γ??? p ν ν Q Q Q e? L? Q ν Q ν? STRAHLUNGS-DOMINIERTE ÄRA MATERIE-DOMINIERTE ÄRA? Urknall Erste Supernovae Enstehung der Sterne und Galaxien UNIVERSUM WIRD TRANSPARENT Entkopplung von Strahlung und Materie Nukleosynthese von Helium Verschwinden der Positronen Formung von Protonen und Neutronen Verschwinden der Antiquarks ELEKTROSCHWACHE EPOCHE Asymmetrie Q - Q L - L K Inflation Bildung von Atomen GROSSE VEREINHEITLICHUNG QUANTEN- GRAVITATION 5 K 11 K 5 Milliarden Jahre 1 Milliarde Jahre K Jahre PHOTON- EPOCHE K 1 sec. LEPTON- EPOCHE K sec K QUARK- EPOCHE sec sec. S. Bethke K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 10

11 Zusammenfassung: Bausteine Aus heutiger Sicht: ffl Materie besteht Quarks und Leptonen ffl 6 verschiedene Quarks (3 Familien) ffl 6 verschiedene Leptonen (3 Familien) ffl gewöhnliche Materie: nur 2 Sorten Quarks und 1 Lepton (Elektron) ffl hohe Energien: Gleichberechtigung der Quark- und Lepton-Sorten. (wichtig bei Entstehung des Universum) ffl Es gibt (vermutlich) keine weiteren Quarks/Leptonen ffl Zu jedem Teilchen (Quarks,Leptonen) gibt es ein Antiteilchen ffl Antimaterie wurde bei Urknall genauso wie Materie erzeugt (wo ist sie heute?) K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 11

12 Kräfte: Historisches Unser Kraftbegriff hat sich mehrfach geändert: 1. Newton: Kraft als Fernwirkung 2. Maxwell: Kraft als Wirkung eines Feldes 3. Planck: Feld ist quantisiert! Feldquanten, Austauschteilchen K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 12

13 Die Krafte in der Natur Typ Rel. Starke Austauschteilchen wirkt auf/bei Kraft Gluonen Quarks Starke m=0 Atomkern 1 Photon elektr. Ladung Elekt.-Magn.Kraft 1/1000 m=0 Atome, Chemie Kraft W, Z Bosonen Leptonen, Quarks Schwache 10,5 80 GeV, 91 GeV Radioaktive Beta-Zerfalle Graviton? Masse, Energie Gravitation 10,38 m=0 Die Austauschteilchen (Bosonen) ubertragen die Kraft. 28 K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 13

14 Vereinigung der Kräfte? Grundfrage (-hoffung): Sind die verschiedenen Kräfte auf ein gemeinsames Prinzip (eine Urkraft ) zurückzuführen? Planeten "Apfel" Gravitation Elektrizitat.. Magnetismus Elektromagnetismus Elektroschwache Kraft Urkraft? Schwache Kraft GUT Kraft? Starke Kraft ds/d 2 / p GeV g,z W H1,ZEUS e -p Standard Model / GeV 2 K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 14

15 Zusammenfassung: Kräfte ffl Zwischen Materieteilchen (Quarks+Leptonen) wirken 4 verschiedene Kräfte. ffl Kräfte werden durch Austauschteilen vermittelt. ffl Unterschiedliche Stärke der Kräfte (im uns zugänglichen Energiebereich) ffl Hohe Energien: Annäherung der Stärke. Vielleicht gleiche Stärke bei ο GeV. ffl Entstehung des Universums von Urkraft geprägt? Struktur der Kräfte $ Entstehung des Universums K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 15

16 Der Stand Heute ffl Experimentell: Alle Materiebausteine entdeckt Austauschteilchen der elektromagnetischen, schwachen und starken Kraft entdeckt Gravitation: zu schwach ffl Theoretisch: Standard Modell beschreibt alle Kräfte (außer Gravitation) mit einfachem Symmetrieprinzip ( lokale Eichtheorie ). viele Vorhesagen! präzise (LEP) überprüft Sind wir fertig??? K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 16

17 Der Stand Heute Summer 20 Measurement Pull (O meas O fit )/σ meas α (5) had (m Z ) ± m Z [GeV] ± Γ Z [GeV] ± σ 0 had [nb] ± R l ± A 0,l fb ± A l (P τ ) ± R b ± R c ± A 0,b fb ± A 0,c fb ± A b ± A c ± A l (SLD) ± sin 2 θ lept eff (Q fb ) ± m (LEP) W [GeV] ± m t [GeV] ± m (TEV) W [GeV] ± sin 2 θ W (νn) ± Q W (Cs) ± K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 17

18 Die großen Fragen: Das Standard-Modell ist sehr erfolgreiche Beschreibung, lässt aber viele sehr grundlegende Fragen offen: ffl Ursprung der Masse? (Higgs Boson) ffl Warum drei Familien? ffl Vereinigung der Kräfte (Urkraft)? ffl Warum ist die Ladung von Elektron und Proton exakt gleich (Zusammenhang zwischen Quarks und Leptonen)? ffl Kann das Modell die Entstehung des Universums beschreiben? (Konsistenz zw. Kosmologie und Teilchenphysik) dunkle Materie? wo sind die Antiteilchen? Gravitation? K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 18

19 Teilchenbeschleuniger Zwei Möglichkeiten, Einblick in den Bauplan zu erhalten (beide benötigen Beschleuniger): 1. Abtasten kleiner Strukturen Mikroskopie light (wave) small object 2. Erzeugung neuer schwerer Teilchen aus Energie: Paarvernichtung von (z.b. Elektron und Positron). ffl Entdeckung neuer Teilchen (E = mc 2 ) ffl Präzisionsmessung (stimmen die Vorhersagen im Detail?) Elektron Positron K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 19

20 17 Teilchenbeschleuniger Gregor Herten Universitat Freiburg K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 20

21 Das Ende der Kreisbeschleuniger Beschleunigte Ladungen strahlen E ο E4 m 4 1 R ffl wichtig bei kleinen beschleunigten Massen (Elektronen) ffl LEP Beschleuniger war größter realistischer Kreisbeschleuniger für Elektronen ffl höhere Energien für Elektronen: Linearbeschleuniger K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 21

22 Technologische Herausforderung ffl Teilchenstrahlen stehen nur einmal zur Kollision zur Verfügung! Luminosität!! kleine Ausdehnung der Teilchenpakete nötig (Fokussierung) ffl Beschleunigung: hohe Gradienten (= Energiegewinn/Meter) erforderlich ffl Energieverlust in den Beschleunigungsstrukturen (Stromkosten/Kühlung)! Supraleitung! Technologie für 500 GeV Linearbeschleuniger TESLA steht jetzt zur Verfügung! K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 22

23 Beschleunigungs-Elemente ffl aus reinem Niob (Supraleiter) ffl kritisch: glatte Oberfläche absolute Staubfreiheit Massenproduktion (für TESLA: ο Elemente) K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 23

24 Der TESLA Beschleuniger Länge: 32 km Energie: GeV hohe Luminosität (ο 1000 LEP) ) hohe Sensitivität aus seltene Prozesse x-ray laser linear accelerator linear accelerator e + e - positron preaccelerator electron-positron collision high energy physics experiments electron source positron source damping ring damping ring aux. positron and 2nd electron source e - K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 24

25 Der TESLA Beschleuniger K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 25

26 Elektron-Positron-Kollisionen Elektron Positron Darstellung in der Teilchenphysik: Feynman-Diagramme e+ Lepton, Quark, W Boson,... e Photon(el mag.) Z Boson(schwach) Anti Lepton, Anti Quark, Anti W Boson, Anti... K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 26

27 Elektron-Positron-Kollisionen Nachweis der Kollisionen im Detektor ffl Identifikation der entstandenen Teilchen ffl Messung ihrer Eigenschaften (Energien, Winkel) ) Rekonstruktion des Gesamtereignisses K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 27

28 Physik mit TESLA Highlights: ffl Ursprung der Masse?! Higgs-Boson(en) ffl Vereinheitlichung der Kräfte und dunkle Materie! Supersymmetrie ffl Neue Struktur der Raum-Zeit?! Gravitation?! Dies sind nur Beispiele... Viele weitere Fragen und Modelle wurden untersucht... K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 28

29 Ursprung der Masse Dilemma der (theoret.) Teilchenphysik: Theorie funktioniert nur für masselose Teilchen aber: die meisten bekannten Teilchen sind massiv (exp. Befund). Mögliche Lösung: Die Teilchen erscheinen uns nur massiv, da sie permanent einer (neuen) Kraft ausgesetzt sind, die wir ansonsten nicht spüren! 3 Beispiele: 1. Helium-Ballon im Auto 2. V.I.P. auf einer Party 3. Der Higgs-Mechanismus K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 29

30 Der Higgs-Mechnismus K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 30

31 Der Higgs-Mechnismus ffl Im leeren Raum (Vakuum) herrscht ein konstantes nicht verschwindendes Kraftfeld (ohne Richtung!): skalare Kraft (Higgs-Feld) ffl Sie hindert die Teilchen die diese Kraft spüren an ihrer freien Bewegung: m = 0 ) v = c (ohne Feld) + (Wechselwirkung mit Higgs-Feld ) m 6= 0 ( v = fic(fi < 1) ffl Das Feld ist überall, wir spüren es nicht! alle Teilchen die mit dem Feld wechselwirken erscheinen uns (wenn wir das Feld ignorieren) als hätten sie Masse K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 31

32 Das Higgs-Boson Überprüfbare Konsequenz des Higgs-Feldes: Es muss ein diesem Feld zugeordnetes Teilchen geben, das Higgs-Boson ffl Letzter fehlender Baustein des Standard-Modells ffl Im SM wird alles über das Higgs-Boson vorhergesagt außer seiner Masse (! entscheidender Test!) Higgs-Suche bei LEP: aber... m H > 114 GeV K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 32

33 Indirekte Effekte γ/z Heisenberg sche Unschärfe-Relation: t E > ~ ) für kurze Zeit können virtuelle Teilchen entstehen, auch wenn die Beschleunigerenergie hierfür nicht ausreicht. ) Die Möglichkeit der Fluktuation verändert geringfügig ffl die Reaktionsrate ffl die Reaktionseigenschaften ) Präzisionsmessung (<ο 1%) der bekannten Prozesse erlaubt Rückschlüsse über die virtuellen Teilchen. K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 33

34 Beispiel: top-quark Konnte bei LEP nicht erzeugt werden (zu wenig Strahlenergie): e+ top Quark e Anti top Quark 2m top ß 350GeV > 200 GeV Trotzdem konnte die Top Masse mit Hilfe von: γ/z t vorhergesagt werden: m top = 180 ± 20 GeV (1994) 1995: Entdeckung des top-quarks am Tevatron Beschleuniger: t m top = 175 ± 5 GeV (direkte Beobachtung) K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 34

35 Indirekte Hinweise auf Higgs-Boson Z H Z Higgs mass limit (95% CL) [GeV] year m H < 200 GeV! K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 35

36 Higgs-Physik bei TESLA Präzisionsmessung aller Eigenschaften des Higgs- Bosons. ) Beweis, dass alle Teilchen nur eine scheinbare Masse haben! oder: Überraschungen (Verständnis duch Genauigkeit). SM Higgs Branching Ratio bb + τ τ - gg cc + W W γγ (GeV) M H K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 36

37 Jenseits des Standard-Modells ffl Das SM ist vermutlich nur eine Näherung für nicht allzuhohe Energien erklärt nicht: dunkle Materie verschwinden der Antimaterie warum Graviatation so schwach ist + theoretische Probleme (Unendlichkeiten...) ffl Konsistente Erweiterung des Standard-Modells zu finden ist nicht trivial... ffl erster sehr vielversprechender Schritt: Supersymmetrie K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 37

38 Supersymmetrie ffl Zu jedem SM Teilchen (Materie+WW-Teilchen) gibt es ein supersymmetrisches Partnerteilchen ffl! Symmetrie zwischen Materie (Fermionen) und Kraftteilchen (Bosonen) ffl Supersymmetrie muss gebrochen sein (sonst hätten die SUSY Partner die gleiche Masse wie ihre SM Teilchen) ffl Leichtestes SUSY Teilchen stabil! dunkle Materie ffl beinhaltet Konzept für Vereinheitlichung der Kräfte bei sehr hohen Energien K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 38

39 Supersymmetrie ffl SUSY Teilchen können bei TESLA präzise untersucht werden, wenn sie existieren ffl Präzision = Schlüssel zu sehr hohen Energien (weit höher als jeder denkbare Beschleuniger) Teleskop zum Urknall K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 39

40 Neue Dimensionen ganz neues Modell: es könnte sein, dass: ffl es weitere Raumdimensionen aufgerollt auf einer Skala von ο μ m gibt. 1 dim. Welt aufgerollte Extra Dimension ffl SM Kräfte (elektro-schwach und stark) nur in der normalen 3+1-dimensionalen Welt ( auf der Oberfläche ) existieren können ffl Gravitation ins Innere dringt (! Abweichung von Newton s Gravitationsgesetz) ffl die Gravitation nur deshalb so schwach erscheint, weil sich die Gravitonen in die anderen Dimensionen verirren ) völlig neue Vorstellung um Quantengravitation zu verstehen ) TESLA kann die Auswirkungen dieses Modells sehen! K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 40

41 K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 41

42 Zusammenfassung ffl Struktur der Materie und der Kräfte bestimmt die Entstehung unseres Universums ffl Mit TESLA können viele sehr grundlegende Fragen untersucht werden: Ursprung der Masse Urkraft Rolle der Gravitation u.a. ffl Technologie hierfür steht jetzt zur Verfügung! aufregende Zeiten! K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/20 Seite 42

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