A: Schlüsselexperimente der Teilchenphysik

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1 A: Schlüsselexperimente der Teilchenphysik Christian Kiesling Sie finden alle Infos zur Vorlesung auf der Web-Seite: 1

2 A: Schlüsselexperimente der Teilchenphysik Christian Kiesling Zweck der Vorlesung: Diskussion wesentlicher Experimente zum gegenwärtigen Verständnis der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen ( Standardmodell ) Erläuterung der physikalischen Grundlagen und der Motivation für diese Experimente Eingehende Behandlung der Techniken, der Durchführung und der physikalischen Analyse der Experimente Sie finden alle Infos zur Vorlesung auf der Web-Seite: 2

3 Geplante Struktur der Vorlesung (je 3-std) 1. Vorlesung: 3. Mai Geschichtliches, experimentelles Instrumentarium 2. Vorlesung: 10. Mai Yukawa, das Pion, Kaon und das Antiproton, die Blasenkammer und der Teilchenzoo 3. Vorlesung: 24. Mai Experimente zur Quantenelektrodynamik: g-2 4. Vorlesung: 31. Mai Das Neutrino: Experimente von Wu und Goldhaber 5. Vorlesung: 14. Juni Entdeckung der Neutrinos: F. Reines und L. Lederman 6. Vorlesung: 21. Juni Die neuen Teilchen Charm und das Tau-Lepton 7. Vorlesung: 28. Juni Das neutrale Kaon-System und die CP-Verletzung 8. Vorlesung: 5. Juli Entdeckung der neutralen Ströme und des W und Z 9. Vorlesung: 12. Juli Experimente zur Starken Wechselwirkung: Quarks & Co 10. Vorlesung: 19. Juli Neutrino-Oszillationen und Astrophysik-Experimente 3

4 Inhalt der heutigen Vorlesung 1. Teilchen und Felder: Das Standard-Modell 2. Geschichtlicher Weg zu den heutigen Vorstellungen über die Struktur der Materie und ihre Wechselwirkungen 3. Prinzipien des Teilchennachweises a) Wechselwirkung von Teilchen mit Materie ( schwere Teilchen, Elektronen, Photonen) b) Methoden zum Teilchennachweis Ortsmessung (Impulsmessung) Energiemessung c) Beispiele für einige klassische Nachweismethoden 4. Prinzipien der Teilchenbeschleunigung a) Linearbeschleuniger b) Zirkularbeschleuniger c) Speicherringe 4

5 Das Periodensystem der Elementarteilchen elektr. Ladung elektr. Ladung Massen der Teilchen (in GeV): +2/ / Leptons 0 ±1 >0 >0 > Bemerkenswerte Symmetrie Teilchen : Spin ½ (Fermionen) Felder : Spin 1 (Bosonen) Standardtheorie der Elementarteilchen 5

6 Die elementaren Wechselwirkungen Gravitation Schwache Elektromag. Starke W.W. W.W. W.W. Effekte Stärke Feldquant Reichweite Schwerkraft Radioaktivität Elektrizität Kernkraft cm cm Graviton W +, W - Photon γ Gluon g Elektroschw. Wechselwirkung, Vorhersage des Feldquants Z 0 Große Vereinheitlichte Theorien? Grand Unified Theories, Vorhersage von Leptoquarks Theory Of Everything? (Superstrings?) 6

7 2. Geschichtlicher Überblick (I) NP 1885 Röntgenstrahlung (W.C. Röntgen) 1897 Nachweis des Elektrons (J.J. Thomson) Radioaktivität des Po und Ra (M.S. und P. Curie) 1900 Quantenhypothese für Schwarze Strahler (M. Planck) 1905 Erklärung des Photoeffekts (A. Einstein) Brownsche Bewegung, Spezielle Relativitätstheorie 1911 Höhenstrahlung (V.F. Hess, W. Kolhörster) Entdeckung des Atomkerns (E. Rutherford) 1913 Atommodell (N. Bohr) 1914 Wasserstoffkern = Proton (E. Rutherford) 1924 Nebelkammer (C. Wilson) 1927 Vorhersage des e+ (P.A.M. Dirac) 1930 Neutrinohypothese (W. Pauli) 1932 Nachweis des Neutrons (J. Chadwick) Nachweis des e+ (C.D. Anderson) Isospin (W. Heisenberg) 1935 Hypothese der Kernkräfte (H. Yukawa) 1937 Nachweis des Muons (C.D. Anderson, S.N. Neddermayer)

8 Geschichtlicher Überblick (II) 1938 Erklärung des Sternbrennens (H. Bethe, C.F. von Weizsäcker) 1939 Kernspaltung mit Neutronen (O. Hahn, F. Strassmann) 1947 Nachweis des Pions in Höhenstrahlung (C.F. Powell u.a.) 1949 QED (S. Tomonaga, J. Schwinger, R.P. Feynman) 1953 Neue Quantenzahl der Starken WW: Strangeness (M. Gell-Mann, K. Nishijima) 1955 Kernuntersuchung mit e - (R.L. Hofstadter) Nachweis des Antiprotons (O. Chamberlain, E. Segré) 1956 Nachweis des Antineutrons (B. Cork) Nachweis des (Anti-)Neutrinos (F. Reines, C.L. Cowan) Postulat der Paritätsverletzung (T.D. Lee, C.N. Yang) 1957 Nachweis der Paritätsverletzung (C.S. Wu) 1959 Bestimmung der Neutrino-Helizität (G. Goldhaber) 1961 Nachweis des Muon-Neutrinos (L. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger) 1964 Nachweis der CP Verletzung (J.W. Cronin, W.L. Fitch) Flavour SU(3) mit Quarks (M. Gell-Mann, G. Zweig) NP

9 Geschichtlicher Überblick (III) 1967 Elektroschwache Vereinheitlichung (S. Weinberg, S. Glashow, A. Salam) 1968 Nukleonstruktur in DIS (W.K.H. Panowski) 1970 Entdeckung der Quarks in DIS (R. Taylor) Charmhyphothese (S.L. Glashow) 1973 QCD (H.D. Politzer, D.J. Gross, F. Wilczek) 1974 Nachweis des J/Ψ (S. Ting, B. Richter) 1975 Nachweis des τ-leptons (M. Perl) 1977 Nachweis des Υ, d.h. b-quarks (S.W. Herb, L. Lederman) 1979 Nachweis des Gluons (PETRA Experimente) 1983 Nachweis von W und Z (C. Rubbia, S. van der Meer) 1990 Drei Neutrino-Generationen (LEP Experimente) 1995 Nachweis des t-quarks (TeVatron-Experimente) 2000 Nachweis des ν τ (DONUT Experiment) 2002 Neutrino-Oszillationen (Sonnenneutrino-Experimente) (R. Davies (seit 1967), M. Koshiba, R. Giacconi) 2003 Evidenz für Dunkle Energie (~1990: Dunkle Materie ) NP

10 Dark Matter in the Galaxies Rotational velocity of stars about 200 km/sec, Independent of radius Galactic disc apparently embedded in a halo of non-luminous matter Non-baryonic matter! Andromeda nebula, distance about 2 Mio light years New form of matter? 10

11 A New Form of Energy: CMB measurements: curvature of space-time is close to zero ( flat Universe ): critical energy density ρ crit. 4 protons/m 3 ρ Ω= =Ω M +Ω Λ ρ crit. Ω= 1.02 ± 0.02 Dark Energy 11

12 12

13 Wichtige Apparative Entwicklungen 1928 Erfindung des Linearbeschleunigers (R. Wideröe) 1929 Erfindung des Zyklotrons (E. O. Lawrence) 1930 Verbesserung & Einsatz der Wilson schen Nebelkammer zur Messung der kosmischen Strahlung (P. Blackett) 1931 Erfindung des Kaskadengenerators (J.D. Cockcroft & E.T. Walton) 1940 Erfindung des Betatrons (Idee von R. Wideröe) (D.W. Kerst) 1945 Erfindung des Synchrotrons (E.M. McMillan, V.Veksler) 1952 Erfindung der Blasenkammer (D. A. Glaser) 1957 Erfindung der Funkenkammer (eigentlich schon ~1950) (T. Cranshaw & J. De Beer, S. Fukui & S. Miyamoto) 1958 Bau des ersten Speicherrings (Idee: Wiederöe, Kerst) 1960 Entwicklung großer Wasserstoff-Blasenkammern (L. Alvarez) 1968 Erfindung der Vieldraht-Proportionalkammer (G. Charpak) NP

14 3. Prinzipien des Teilchennachweises Wechselwirkung der Teilchen mit der Detektor-Materie Welche Information soll der Detektor liefern? 14

15 Energieverlust schwerer geladener Teilchen schwer: >, m m e z.b. μπ,, p, α 1 de Z z 2m c βγ ρ dx A β I δ e 2 = K ln β 2 Bethe-Bloch-Formel: spezifischer Energieverlust K = 4πN r mc 2 2 A e e Z Z MeV K A = A g cm 2 N A r e m A e β = I δ Avogadrozahl Atomgewicht des Mediums klass. Elektronradius Elektronmasse v/ c ( ) γ = β Mittlere Anregungsenergie Korrektur für Dichteeffekt 15

16 Energieverlust schwerer geladener Teilchen (cont.) Minimum bei βγ 3 4 für z = 1 1 ρ de dx min MeV g cm

17 Energieverlust von Elektronen (oder ultrarelativistische Teilchen) E C 17

18 Energieverlust schwerer geladener Teilchen: voller Energiebereich 18

19 Teilchenidentifikation durch spezifischen Energieverlust de dx 1 β 2 p = mβγ Impuls p [ GeV ] = 0.3B[ T] R[ m] (Impuls aus Krümmung in Magnetfeld) 19

20 Wechselwirkung von Photonen mit Materie 20

21 Elektromagnetische Schauer X 0 = n σγ [cm] σγ = 4αrZ e ln Z 21

22 Hadronische Schauer 22

23 Detektor-Prinzipien Optische Methoden Elektronische Methoden 23

24 Optische Detektoren: Nebelkammer (C. Wilson) 24

25 Optische Detektoren: Blasenkammer (D. Glaser) 25

26 Optische Detektoren: Funkenkammer 26

27 Elektronische Detektoren: Spurdetektoren Gasgefüllte Spurkammern (z.b. Driftkammer) Halbleiter-Detektoren Gasverstärkung in Drahtnähe Ortsauflösung: MWPC Driftkammer Halbleiter-Detektor ~1 mm ~ 100 μm ~10μm 27

28 Vieldrahtproportionalkammer (MWPC) 28

29 Driftkammer 29

30 Time-Projection Chamber (TPC) 30

31 Time-Projection Chamber (TPC) Au Au Kollision am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven (USA) STAR - TPC 31

32 Halbleiterdetektoren 32

33 Elektronische Detektoren: Energiemessung ( Kalorimeter ) 33

34 Elektromagnetisches Kalorimeter 34

35 Kombiniertes Elektromagnetisches und Hadronisches Kalorimeter 35

36 Szintillationszähler 36

37 4. Prinzipien der Teilchenbeschleunigung Teilchenbeschleunigung durch statische elektrische Felder Cockcroft & Walton Van de Graaff V ~ 500 kv ~ 2-10 MV (Tandem bis 20 MV) + Hohe Ströme (~ ma) Große Energieunschärfe (~ 1 %) + Niedrige Ströme [~ ma) Gute Energiestabilität (~ 0.01 %) 37

38 Kreisbeschleuniger: Zyklotron 38

39 Kreisbeschleuniger: Betatron 39

40 Kreisbeschleuniger: Synchrotron Alternating Gradient Separated Function 40

41 Speicherringe 41

42 Moderne Beschleunigungs-Kavitäten Wideröe-Struktur 42

43 Kupfer-Kavitäten des LEP Speicherrings 43

44 Luftaufnahme des LEP Speicherrings jetzt: LHC ( Large Hadron Collider ) 44

45 HERA beim Deutschen Elektronen-Synchroton DESY in Hamburg 45

46 Im HERA-Tunnel: Oben die Proton-Maschine (supraleitende Magnete), darunter die Elektron-Maschine 46

47 Beschleuniger-Systeme für hohe Energien 47

48 Beschleuniger-Systeme für Proton-Antiproton-Speicherring (CERN) 48

49 Antiproton-Akkumulation: Stochastische Kühlung (CERN) 49

50 Die momentan höchste Schwerpunktsenergie: Fermilab (Chicago) 50

51 Die Welt der Beschleuniger Cornell ee Brookhaven p A A /N 2000 RHIC DESY Hamburg ee DORIS ee PETRA ± e p HERA ee ? TESLA Serpuchov p Peking ee Stanford e ee SLAC SPEAR PEP SLC PEP-II KEK (Tokyo) p ee Fermilab p pp SSC Lab pp TEV abgebrochen CERN, Genf p PS p SPS pp SPS ee LEP I LEP II p p TeV 2007 LHC Novosibirsk ee