Die Bausteine der Natur

Transkript

1 Die Bausteine der Natur Teilchenwelt - Masterclass 2011 Matthias Schröder, Jan Thomsen

2 Fragen der Teilchenphysik Woraus bestehen wir und unsere Welt? Was sind die fundamentalen Kräfte in unserem Universum? Wie ist das Universum entstanden? Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält! Faust, J.W. Goethe Beobachtung der kleinsten Teichen und der Kräfte, die zwischen diesen wirken 2

3 Teilchen - Größenordnungen 10-2m Molekül Atom 10-9m 10-10m Atomkern 10-14m Proton/Neutron Quark 10-15m < 10-18m Wie kann man so kleine Teilchen untersuchen? 3

4 Teilchen - Rutherford Rutherford-Experiment (1910): α-teilchen werden auf Goldfolie geschossen Messung der Winkelverteilung der gestreuten α-teilchen Entdeckung der Atomkerne 4

5 Teilchen Quarks Vorausgesagt durch Gell-Mann 1964 (Nobelpreis 1969) Experimentelle Bestätigung 1969 analog zu Rutherford Protonen und Neutronen bestehen aus up- und down-quarks Neutron: udd Protonen: uud Eigenschaften: Elektrische Ladung up (down) = 2/3 (-1/3) Ladung des Elektrons Elementar Keine einzelnen (freie) Quarks (Confinement) 5

6 Teilchen - Myon Bekannte Teilchen: Elektron e Elektronneutrino νe(neutral, schwache Wechselwirkung) up- und down-quark Erklären die gesamte sichtbare Materie! Unerwartete Entdeckung (1936): C. Anderson entdeckt neues Teilchen in Höhenstrahlung Myon (µ) hat die gleichen Eigenschaften wie das Elektron (z.b. Ladung) Myon ist ca. 200 mal schwerer als das Elektron Who ordered that I.I. Rabi Gibt es noch andere schwere Partner zu bekannten Teilchen? 6

7 Teilchen Standard Modell Zu jedem dieser Teilchen gibt es ein Antiteilchen mit der selben Masse und entgegengesetzter Ladung 7

8 Teilchen Masse Masse in MeV Vergleichsobjekte in Tonnen Große Unterschiede zwischen Teilchenmassen Je schwerer ein Teilchen desto schneller Zerfällt es Leichte Teilchen können nicht in schwerere Zerfallen 8

9 Kräfte Kraftteilchen Kräfte entstehen durch Austausch von Kraftteilchen (Bosonen) Beschreibung durch Feynmandiagramme 9

10 Kräfte - Überblick Das Standardmodell bechreibt 3 fundamentale Kräfte: Elektromagnetische Kraft: Kraft zwischen elektrischen Ladungen Austauschteilchen: Photon (γ) Schwache Kraft: Führt zu β Zerfall Austauschteilchen: W±, Z0 Starke Kraft: Bindungen zwischen Quarks Austauschteilchen: gluon Gravitation nicht beschrieben vom Standardmodel! 10

11 Standardmodell Beschreibt (fast) alle Daten Viele bestätigte Vorhersagen Soweit keine Massen erlaubt Problem: Teilchen haben Masse! Lösung: Higgs Mechanismus Teichen erhalten ihre Masse durch Interaktion mit einem Hintergrundfeld 11

12 Higgs Mechanismus Vergleich: Higgs-Feld = Gäste auf Party VIP betritt den Raum Gäste sammeln sich um VIP VIP wird langsamer (träge) Masse = Bekanntheitsgrad Der Higgs-Mechanismus sagt das Higgs-Teilchen vorraus Higgs-Teilchen noch nicht entdeckt Suche nach dem Higgs eine der Hauptaufgaben des LHC 12

13 Offene Fragen Dunkle Materie Galaxien drehen sich am Rand schneller als berechnet Diese und andere Beobachtungen lassen auf dunkle Materie schließen Einige Theorien sagen Teilchen voraus, die nicht mit den Teilchen des Standardmodels interagieren (z.b. Supersymmetrie) Suche am LHC 13

14 Offene Fragen - 2 Die Expansion des Universums beschleunigt sich Bekannt durch Beobachtungen von Supernovae Erklärung möglich durch dunkle Energie Sehr wenig über dunkle Energie bekannt Nur 4% des Universums bekannt! Offene Fragen: Gibt es das Higgs-Teilchen? Gravitation nicht im Standardmodell enthalten Warum gibt es 3 Generationen von Teilchen Was ist dunkle Materie und dunkle Energie Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie (CP-Verletzung) 14

15 Ende 1. Teil 15