Alles Quark? Jochen Schieck. Institut für Hochenergiephysik Österreichische Akademie der Wissenschaften und Technische Universität Wien

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1 Alles Quark? Jochen Schieck Institut für Hochenergiephysik Österreichische Akademie der Wissenschaften und Technische Universität Wien Naturhistorisches Museum Wien 11. Jänner Jänner

2 Alles Quark? Alles Topfen? Jochen Schieck Institut für Hochenergiephysik Österreichische Akademie der Wissenschaften und Technische Universität Wien Naturhistorisches Museum Wien 11. Jänner Jänner

3 Warum Teilchenphysik Menschheit stellt sich seit jeher grundlegende Fragen über das eigene sein: Wie? Woher? Wohin?... Rembrandt Daß ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält, Schau alle Wirkenskraft und Samen, Und tu nicht mehr in Worten kramen. J.W. v. Goethe, Faust I 11. Jänner

4 Grundlagenforschung als Motor für Innovation A. Einstein 100% Wissenschaft Relativitätstheorie 100% Wissenschaft Elektromagnetismus J.C. Maxwell 11. Jänner

5 Kein ganz neues Phänomen... Demokrit (ca v. Chr.): Materie besteht aus unteilbaren, kleinen Bausteinen atomos (άτομος)=unteilbar Aristoteles (ca v.chr.): Der Raum ist kontinuierlich mit Materie ausgefüllt Platon (ca v.chr.): Vier elementare Bausteine 11. Jänner

6 Anzahl der Elementarteilchen als Funktion der Zeit 11. Jänner

7 Wie und Wo trägt die moderne Teilchenphysik dazu bei? 11. Jänner

8 Elementarteilchenphysik Prinzip des Sehens Wir sehen die Objekte nicht direkt sondern nur das davon gestreute Licht maximale Auflösung ist beschränkt durch die Wellenlänge (der Sonde) des Lichts ~500 nm Um noch kleinere Strukturen aufzulösen brauchen wir neue Lichtquellen und bessere Augen ØBeschleuniger und Detektoren 11. Jänner

9 Auflösung von Strukturen Louis de Broglie Je kleiner die Sonde des besser die Auflösung kleine Sonden werden durch hohe Energien erzeugt die Wellenlänge eines Teilchens ist umgekehrt proportional zur Energie des Teilchens bei modernen Streuexperimenten ist die Auflösung ca. ~10-18 m (= nano-nano-physik!) aufzulösendes Objekt (z.b. Atomkern) ΔL > λ ~ 1/E Sonde (z.b. Photon, Protonen) Energie der Sonde: E = h ν = h c/λ kleinster noch trennbarer Abstand zweier Objekte Wellenlänge der Sonde 11. Jänner

10 Auflösung von Strukturen Beispiel: unbekanntes Objekt in einer Höhle Wir fallen in eine Höhle und können nichts sehen, aber wir hören Geräusche Wir besitzen leuchtende Bälle die wir in Richtung des Geräusches werfen Die Bälle deuten die Umrisse des Objektes an, je kleiner die Bälle, desto besser kann man das Objekt erkennen 11. Jänner

11 Projektil: Basketbälle 11. Jänner

12 Projektil: Tennisbälle 11. Jänner

13 Projektil: Murmeln 11. Jänner

14 Rutherford - Streuversuch wir werfen mit Protonen Aufbau des Rutherfordschen Streuversuchs. 11. Jänner

15 Weiterer Aspekt Einstein: E=mc 2 Äquivalenz von Masse und Energie, d.h. wir können Energie und Masse ineinander umwandeln Mit großen Energien können wir neue, schwere Teilchen produzieren Energie ist der Schlüssel zu unserer Forschung 11. Jänner

16 Mit hochenergetischen Teilchenreaktionen können wir 1. Extrem kleine Strukturen auflösen 2. Neue schwere Teilchen Produzieren 11. Jänner

17 Das Standardmodell der Teilchenphysik In den letzten Jahrzehnten wurde Dank neuer Beschleuniger viele neue elementare Teilchen entdeckt Ähnlichkeiten zwischen einzelnen Teilchen führte zur Einteilung in einzelne Teilchenfamilien vgl. Periodensystem der Elemente Baukastensystem mit Protonen und Neutronen à Symmetrien zwischen Teilchen 11. Jänner

18 Das Periodensystem der Elemente (1869; Mendelejew und Meyer) Atomkerne bestehen aus unterschiedlicher Anzahl von Protonen und Neutronen 11. Jänner

19 Das Standardmodell der Teilchenphysik Materie Kräfte Proton Neutron das aktuelle Weltbild der Teilchenphysik wird durch das Standardmodell beschrieben 11. Jänner

20 Sie kennen jetzt die Antwort auf die allererste Frage: Alles Quark? Antwort: Nein! Es gibt noch (mindestens) Leptonen und Botenteilchen 11. Jänner

21 Standardmodell der Teilchenphysik Bisher haben wir die Bausteine der Materie diskutiert Wie sprechen diese Bausteine miteinander? fundamentale Kräfte wirken zwischen den Elementarteilchen Wie funktioniert das diese Wechselwirkung? 11. Jänner

22 Wechselwirkung der Bausteine der Materie Kräfte zwischen den fundamentalen Bausteinen und deren Dynamik Kraftübertragung durch Austausch von Bosonen (vgl. Zuwerfen eines Balles) 11. Jänner

23 Kräfte zwischen Teilchen mathematische Schreibweise Jeder Linie und Kreuzungspunkt ist eine Rechenregel zugeordnet Exakte Vorhersagen sind möglich (Wahrscheinlichkeiten) Materieteilchen Feynman-Diagramm Kraft-/ Austauschteilchen 11. Jänner

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25 Vereinheitlichung der Kräfte 11. Jänner

26 Der Higgs Mechanismus Problem: einige Eichbosonen sind massiv (W ±, Z 0 ) Higgs-Potential mit gebrochenere Symmetrie Massenterm kann nicht ad hoc hinzugefügt werden Lösung: 0 füge zusätzliches Higgs-Feld mit gebrochener Symmetrie hinzu 0 Wechselwirkung der Elementarteilchen mit Higgs-Feld erzeugt Massenterme Stärke der Wechselwirkung bestimmt die Masse 26

27 Der Higgs- Mechanismus das Higgs-Feld ist ein skalares Feld (= Feld ohne bevorzugte Richtung) elementary particle Beziehung zwischen Teilchenmasse und Geschwindigkeit des Teilchens, the Higgs field nur masselose Teilchen fliegen mit Lichtgeschwindigkeit c Higgs-Feld ist wie ein See Higgs particle Reibung bestimmt die Geschwindigkeit und damit die Masse des Teilchens Anregung (=Welle) entspricht dem Higgs-Boson excited Higgs field 27

28 Die Entdeckung des Higgs Erzeugung der Higgs-Masse über den Higgs-Mechanismus erlaubt auch den Zerfall des Higgs-Bosons Higgs-Bosonen werden in hochenergetischen Kollisionen erzeugt (=Anregung des Higgs- Felds) Rekonstruktion des Higgs- Zerfalls und Berechnung der invarianten Masse Anzahl der Experimente mehrmalige Wiederholung des Experiments Higgs-Boson zerfällt in vier Leptonen 28

29 Das Standardmodell der Teilchenphysik Vorhersage / Erklärung von Messungen an Experimenten durch das Standardmodell keine Messungen vorhanden, die im Widerspruch zum Standardmodell stehen LEP am CERN ( ) 11. Jänner

30 Die Weltmaschine unser Mikroskp Der Large Hadron Collider (LHC) Kreisbeschleuniger mit ca. 27 km Umfang zwei Protonen (Hadronen) Strahlen werden gegenläufig zirkuliert und zur Kollision gebracht Protonen werden mit elektromagnetischen Feldern beschleunigt Protonen werden mit Hilfe von magnetischen Feldern auf einer Kreisbahn geführt 11. Jänner

31 Der Beschleuniger Beschleunigungsmechanismus ähnlich zum Fernseher LHC: V Fernseher: V Beschleunigung auf % der Lichtgeschwindigkeit Ablenkung durch Supraleitende Magnete LHC: 8.3 Tesla Erdmagnetfeld: T 11. Jänner

32 LHC-Dipolmagnete abgekühlt auf 1.9 K 11. Jänner

33 Der LHC-Beschleuniger jeder Protonenstrahl trägt eine Energie von 350 MJ Øzwei ICEs auf Kollisionskurs 150 km/h -150 km/h am Experiment haben die beiden Strahlen einen Durchmesser von < mm (Nadelöhr: 0.3 mm) 11. Jänner

34 Bild eines Ereignisses 11. Jänner

35 Aufbau eines Teilchendetektors Detektor Rekonstruktion der beim Zerfall entstandenen Teilchen Impuls Energie Lebensdauer komplette Erfassung aller Zerfallsprodukte 11. Jänner

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38 Datennahme an LHC Experimenten Ereignisrate: 40 MHz jedes Ereignis hat durchschnittlich 1.6 MByte ~ MByte / s = Stapel CDs von 150 m oder 50 Milliarden Telefonanrufe gleichzeitig nicht alle Daten können aufgezeichnet werden nicht alle Ereignisse sind interessant nur 200 Ereignisse / s werden aufgezeichnet nur eines von Ereignissen jedes Jahr werden pro Experiment 3200 Tbyte aufgezeichnet (7 km CD-ROMs) 11. Jänner

39 Die Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen verteiltes Rechnen durch Daten ausgelagert auf mehreren Rechenzentren weltweit ( GRID ) alle Ereignisse 1: 10 9 Häufigkeit Higgs-Ereignisse 11. Jänner

40 Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt Teilchen und deren Wechselwirkung voraus 11. Jänner

41 War das alles? Wissen wir alles? 11. Jänner

42 100% 80% Dunkle Energie 60% 40% 20% Neue Form der Materie Dunkle Materie Neutrinos 0% Normal Materie Sterne 11. Jänner

43 Dunkle Materie Rotationskurve der Galaxien verhält sich anders als erwartet weitere eindeutige Indizien 11. Jänner

44 Offene Fragen der (Teilchen-)physik LHC das Standardmodell kann nicht alle Phänomene erklären warum gibt es mehr Materie wie Antimaterie? kann man alle Kräfte mit einer Universalkraft beschreiben? Was ist dunkle Materie? Jänner

45 Neue Theorien Supersymmetrie könnte die fehlende dunkle Materie im Universum erklären Stringtheorie: sind die elementaren Bausteine wirklich elementar? 11. Jänner

46 Supersymmetrie jedem Teilchen wird ein SUSY-Teilchen zugeordnet könnte die Dunkle Materie erklären 11. Jänner

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48 Was Sie sich merken sollten Teilchenphysik ist Grundlagenforschung die sich mit dem Wie, Woher und Wohin beschäftigt! Die Teilchenphysik versucht die fundamentalen Bausteine und deren Wechselwirkung zu ergründen hohe Energien sind notwendig um: immer kleinere Strukturen aufzulösen (λ = 1/E) Neue Teilchen zu produzieren (E=mc 2 ) 11. Jänner

49 Jetzt wissen Sie im Prinzip alles und können ihren eigenen Beschleuniger bauen! Viel Spaß! 11. Jänner