Masterclasses Hands-on Particle Physics. - Technische Universität Dresden - 08 Juli 2011 Marcus Morgenstern

Transkript

1 Masterclasses Hands-on Particle Physics - Technische Universität Dresden - 08 Juli 2011 Marcus Morgenstern

2 Was fällt euch zum Thema Teilchenphysik ein?

3 Teilchenphysik in den Medien

4 Das CERN 6500 Gastwissenschaftler von 500 Univeristäten Etwa 80 Nationen Über die Hälfte aller Teilchenphysiker Rund 3000 Mitarbeiter direkt vor Ort

5 Die Bausteine des Universums Was sind die fundamentalen Bausteine der Materie? Was hält diese Bausteine zusammen? Was sind die fundamentalen Kräfte? Gibt es eine fundamentale Kraft?

6 Woraus besteht die Welt und alles herum? Menschliches Haar: 50 µm = 50*10-6 m Atom: 0.1 nm = 1 * m Protonen: 1 fm = m

7 Vom Atom zu den Quarks Was sind die kleinsten Bausteine der Welt?

8 Teilchenphysik = Hochenergiephysik? E = mc 2 x p ħ/2

9 Ein paar nützliche Einheiten Größe: 1 fm = 1 femtometer ( Fermi ) = m 1 mm = fm Energie: 1 ev = 1 Elektronenvolt 1 GeV = viel für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig könnte Taschenlampe (1.6 W) für ganze 0, s zum Leuchten bringen

10 Teilchenbeschleuniger als Mikroskope Fernsehbildröhre: Funktionsprinzip: Linearbeschleuniger: SLAC (Standford), XFEL (DESY, Hamburg)

11 Teilchenbeschleuniger als Mikroskope Auflösungsvermögen : Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Projektilgröße << Größe der Strukturen Beispiele: 0.2 µm bei E = 1 ev 200 fm bei E = 1 MeV = 10 6 ev

12 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle

13 Das unbekannte Objekt in der Höhle Projektil: Tennisbälle

14 Das unbekannte Objekt in der Höhle Projektil: Murmeln

15 Der LHC

16 Der LHC

17 Der LHC Proton-Proton Kollisionen bei 7 TeV/Proton ca Protonen-Pakete pro Strahl Jedes Paket enthält ca. 100 Milliarden Protonen Kollisionsrate: 40 MHz 1 Kollision / 25 ns pro Kollision ca. 20 Wechselwirkungen

18 Der LHC Proton-Proton Kollisionen bei 7 TeV/Proton ca Protonen-Pakete pro Strahl Jedes Paket enthält ca. 100 Milliarden Protonen Kollisionsrate: 40 MHz 1 Kollision / 25 ns pro Kollision ca. 20 Wechselwirkungen

19 Der LHC Proton-Proton Kollisionen bei 7 TeV/Proton ca Protonen-Pakete pro Strahl Jedes Paket enthält ca. 100 Milliarden Protonen Kollisionsrate: 40 MHz 1 Kollision / 25 ns pro Kollision ca. 20 Wechselwirkungen Datenvolumen: ca. 400 MB/s

20 Die 4 Großexperimente

21 Die 4 Großexperimente ATLAS

22 Die 4 Großexperimente ATLAS CMS

23 Die 4 Großexperimente ATLAS CMS LHCb

24 Die 4 Großexperimente ATLAS CMS LHCb ALICE

25 Die 4 Großexperimente ATLAS CMS LHCb ALICE

26 Teilchenidentifikation = Detektivarbeit Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in Komponenten Messbare Eigenschaften: Elektrische Ladung (neutral, positive, negativ) Zusammensetzung (Quarks, Hadronen) Masse

27 Der ATLAS Detektor 7000 t 45 m lang, 25 m hoch Größenvergleich 170 Universitäten aus 35 Ländern

28 Teilchen und Ihre Wechselwirkungen

29 Das Standardmodell - Die fundamentalen Bausteine

30 Was hält die Bausteine zusammen Elektromagnetische Wechselwirkung Elektrische Ladung Schwache Wechselwirkung Schwache Ladung Starke Wechselwir kung Gravitation Masse Farbladung 4 fundamentale Kräfte

31 Wie funktioniert die Kraftwirkung Allgemein: Zu jeder Wechselwirkung gehört eine entsprechende Ladung Ladung: Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens Existieren nur als Vielfache einer Elementarladung ist in allen Prozessen erhalten d.h. Sie kann weder neu erzeugt noch vernichtet werden Nur Teilchen mit entsprechender Ladung erfahren Kraftwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen

32 Abstoßende Kräfte

33 Anziehende Kräfte

34 Die elektromagnetische Kraft Ladung: elektrische Ladung Q Arten: 1 Ladungsart (Zahl), positiv (Q = +1*e) oder negativ (Q = -1*e) Teilchen: up (u) down (d) Elektron (e - ) Neutrino Ladung: +2/3-1/3-1 0 Botenteilchen: Photonen γ Eigenschaften elektrisch neutral Q = 0 masselos m = 0 Besonderheiten: Unendliche Reichweite Makroskopisch beobachtbar

35 Die schwache Kraft Ladung: schwache Ladung I 3 Arten: 1 Ladungsart Botenteilchen: W +, Z 0, W - Eigenschaften: tragen selbst Ladung wechselwirken mit sich selbst Masse: m W = 80 GeV, m Z = 91 GeV Teilchen: up (u) down (d) Elektron (e - ) Neutrino Ladung: +1/2-1/2-1/2 +1/2 Besonderheiten: Sehr kurze Reichweite

36 Z 0 -Bosonen bei ATLAS!!

37 W ± -Bosonen bei ATLAS!!

38 Die starke Kraft Ladung: Farbladung Q C Alle Quarks treten in 3 Farben auf: rot, grün, blau uu u up dd d down Botenteilchen: 8 Gluonen g Eigenschaften: tragen jeweils eine Farbe und eine Antifarbe masselos m = 0 Besonderheiten: Quarks formieren sich immer zu farbneutralen Objekten: Baryonen: 3 Quarks (rot + blau + grün = weiß), z.b. Proton Mesonen: 2 Quarks (rot + anti-rot = weiß), z.b. Pion

39 QCD Ereignisse

40 Die Massen der Teilchen 1995: Entdeckung des top Quarks am TeVatron (Fermilab, Chicago); Masse: 173 GeV

41 Ursprung der Masse Bis jetzt ist Ursprung der Masse und die Massenunterschiede zwischen Leptonen und Quarks noch nicht verstanden Momentan beste Theorie: Ursache ist in überall vorhandenen Hintergrundfeld (Higgsfeld) zu finden Masse ist dann Maß für den Widerstand, den ein Teilchen bei Bewegung durch das Higgsfeld spürt

42 Der Higgs Mechanismus Aus Politics, Solid State and the Higgs, David Miller, University College Physik: Das Higgsfeld füllt als Hintergrundfeld den gesamten Raum aus Analogie: Man stelle sich einen Raum voller Physiker bei einer Cocktailparty vor...

43 Wie erhalten Teilchen ihre Masse? Aus Politics, Solid State and the Higgs, David Miller, University College Physik: Durch Wechselwirkung mit dem Higgsfeld erhält ein in der Theorie zunächst masseloses Teilchen Masse Analogie: Ein berühmter Physiker betritt den Raum. Sofort bildet sich eine Menschentraube um ihn, welche seine Geschwindigkeit verlangsamt.

44 auch das Higgs ist massiv Aus Politics, Solid State and the Higgs, David Miller, University College Physik: Der Anregungszustand des Higgsfeldes, das Higgs Boson, ist auch massiv. Analogie: Ein Gerücht wird in den Raum gestreut. Erneut bildet sich eine Menschentraube.

45 aber das Photon ist masselos Aus Politics, Solid State and the Higgs, David Miller, University College Physik: Masselose Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Analogie: Der arme Student der an diesem Abend die Cocktails serviert, bewegt sich schnell und ungehindert durch den Raum.

46 Antimaterie Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen, dessen Ladung genau entgegengesetzt ist Alle anderen Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) bleiben gleich Können aus Zerfällen von Botenteilchen paarweise erzeugt werden Umgekehrt können sich Materie- und Antimaterieteilchen zu Botenteilchen vernichten

47 Ein Ausblick auf heute Nachmittag...

48 Zerfallskanäle Löcher entsprechen Zerfallskanälen für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht vorhersagbar Entleerungsdauer = absolute Größe der Löcher Verhältnis der Austrittsmengen = Größenvergleich der Löcher Aufgabe für heute Nachmittag!!!

49 Zusammenfassung Ladungen der Teilchen bewirken Kräfte zwischen den Teilchen Unterschiedliche Kräfte erklären das unterschiedliche Verhalten von Teilchen im Detektor Kräfte und Teilchen werden gut vom Standardmodell beschrieben ABER es gibt noch sehr viel zu entdecken

50 Zum Schluss noch ein paar erstaunliche Fakten...

51 LHC Energien Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 * 350 MJ * Lichtgeschwindigkeit 120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser

52 Tunnel ca. 100m unter der Erde Zum Bau des ATLAS Detektors wurde ein unterirdischer Fluss mit flüssig Stickstoff eingefroren und einbetoniert. Er hat sich inzwischen einen anderen Weg gesucht. Entwicklungen initialisiert am CERN: Strahlungstherapie Digitales Röntgen World Wide Web Betriebstemperatur 1.9 K (kälter als das Universum 2.7 K) Höchste Präzision: Die Mondphasen (Gravitationsänderung) Der Stand des Genfer Sees (Druck auf den Beschleuniger) Fahrzeiten des TGV (Einfluß des induzierten magnetischen Feldes) Äußere Effekte haben einen großen Einfluß bei solch genauen Messungen

53 Die Geschichte des Universums

54 Physik jenseits des SM:

55 Masterclasses Hands-on Particle Physics 12 Januar 2011 Marcus Morgenstern

56 Für die ganz Neugierigen BACKUP

57 Das Neutrino 1914 Chadwick b-zerfall: n p + e- Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino ν Elektrisch neutraler Partner des Elektrons sehr leicht erst für masselos gehalten Es befinden sich in jedem von uns ungefähr 30 Mio. Neutrinos vom Urknall. schwach wechselwirkend (Fermi): von schaffen Erddurchquerung