Elementarteilchen. wie wir sie bei LHC sehen können

Transkript

1 Elementarteilchen und wie wir sie bei LHC sehen können Manfred Jeitler Institut für Hochenergiephysik der Öt Österreichischen ihi h Akademie Akd der Wissenschaften hft 1

2 Das Wasserstoffatom e - Photonaustausch P + Gebundener Zustand - Elektromagnetismus Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 2

3 Der Wasserstoffkern das Proton besteht aus zwei up -Quarks und einem down -Quark! Elektrische Ladung 2/3 u P + d u 2/3-1/3 Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt! Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen? Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 3

4 Die starke Kraft (Kernkraft) 3 Farbladungen (Farbe dient hier nur 8 Gluonen als anschauliches Analogon) Messbare Objekte sind farbneutral. Es existieren somit keine freien quarks confinement. (Nobelpreis 2004 an D. Gross, H.D. Politzer, and F. Wilczek) u g u d Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 4

5 u Pion + 2/3 g d 1/3 Drei Bindungsmöglichkeiten: (q q q) = (Proton, Neutron, ) (q q q) = (Antiproton, Antineutron, ) und (q q) = (Pionen, ) Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 5

6 Antiteilchen: Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen, aber umgekehrte Ladungen ( additive Quantenzahlen ) e - e + Elektron u up Positron u anti-up Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 6

7 Kräfte Schwache Kraft W- u. Z-Bosonen Starke Kraft Gluonen Elektromagnetische Kraft Photon W + Z 0 g g g g W - g g g g Gravitation Graviton? extrem schwach im Vergleich zu den anderen drei Kräften Graviton? extrem schwach im Vergleich zu den anderen drei Kräften, in Beschleunigerexperimenten vernachlässigbar Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 7

8 heutige Situation: das Standardmodell der Elementarteilchen Ladung Fermionen (Spin ½) Leptonen Quarks stark Wechselwirkungen e u c t 0 +2/3 e d s b g Starke Kraft -1-1/3 Elektromagn. Kraft W, Z Schwache Kraft u d u d d u +1 0 Proton Neutron Baryonen schwach? Schwerkraft Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) h Higgs Boson? Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 8

9 Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson (sonst hätten nämlich die Elementarteilchen keine Masse, was im Widerspruch zur Beobachtung steht). Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs- Teilchen ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. 9 Peter Higgs vor einem LHC-Detektor Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 9

10 Supersymmetrie Der Weg zur allumfassenden Theorie? Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien p der Natur manifestieren. Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das so genannte Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten. Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 10

11 SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen -und nach so manchen anderen, vermuteten oder noch völlig unbekannten Erscheinungen - gehört zu den vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am LHC im CERN. Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 11

12 Aufbau eines LHC-Experiments (hier: CMS ) Die verschiedenen Detektoren sind zwiebelförmig ineinandergeschachtelt. h 12

13 CMS: schematischer Aufbau Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 13

14 Montage der Endkappen 22 Jan 08 Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 14

15 Komponenten eines LHC-Experimentes Myon-Detektoren Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 15

16 Einbau des Tracking -Detektors Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 16

17 Installation des Strahlrohres Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 17

18 Installation des Pixel -Detektors Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 18

19 ... vor dem Schliessen Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 19

20 ... geschlossen! Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 20

21 DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! 21

22 EXTRA 22

23 Teilchenphysik und Kosmologie Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik: Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie? Woher kommt die Dunkle Energie? Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie? Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik des ganz Kleinen geben die Elementarteilchenphysik Atome (Bekannt e Materie) 3% Dunkle Materie 23% Dunkle Energie Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 23

24 Einige heiße Fragen der Teilchenphysik (die zur Zeit experimentell untersucht werden) Welcher Natur sind die Dunkle Materie und Dunkle Energie des Universums? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse? Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte ( Grand Unification ), einschließlich der Gravitation? Wie bekommen die Teilchen eine Masse? (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen? Welche Masse hat das Higgs-Teilchen?) Warum sind die Massen der bekannten Teilchen so unterschiedlich? Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie (SUSY) Spiegelwelt zu den bekannten Teilchen. Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4? ( Stringtheorie, ) Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 24

25 Das Standardmodell der Elementarteilchen Materie Antimaterie 2/3 u c t -2/3 u c t El. Lad dung -1/3 d s b 1/3 d s b - e 0 0 e e -1 e e Gen. Gen. Gen. Gen. Gen. Gen. Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 25

26 Das Standardmodell ist nun komplett, außer dem ominösen Higgs-Teilchen entwickelte der britische Physiker Peter Higgs einen formalen Mechanismus, durch den zunächst masselose Teilchen durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld (dem Higgs-Feld) massiv werden. Das Higgs-Boson ist für die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil es bisher die einfachste bekannte und experimentell konsistente t Erklärung dafür ist, wie die Kraftteilchen eine Masse haben können denn die grundlegende Theorie erfordert masselose Kraftteilchen, da sie ansonsten mathematisch nicht funktioniert. Die W- und Z-Bosonen, n haben aber sogar eine recht große Masse! Der Higgs-Mechanismus erklärt nun, wie eigentlich masselose Kraftteilchen durch Wechselwirkung mit dem Higgsfeld eine Masse erhalten können. Weiter gelingt so die Vereinheitlichung von elektromagnetischer tisch r und schwacher Wechselwirkung, da beide auf nur eine, grundlegende "elektroschwache" Wechselwirkung mit (ursprünglich) lauter masselosen Kraftteilchen zurückgeführt werden können. Da viele spezielle Eigenschaften einer solchen elektroschwachen Wechselwirkung sich experimentell sehr gut bestätigt haben, gilt das Standardmodell mit einem Higgs-Teilchen als durchaus gut abgesichert. Sollte das Higgs-Teilchen existieren, dann wird es mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit am LHC entdeckt werden! Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 26

27 10. September 2008: Erste Teilchen aus dem Beschleuniger Protonstrahl (~2x10 9 p) trifft auf Kollimator ~150 m vor dem Detektor Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 27

28 LHC-Detektoren: Datenraten Bunch crossing rate: 40Mhz 25ns 20 Kollisionen / crossing = O(Pb/s) O(100Mb/s) = O(Pb/yr) = 10 5 DL-DVD/yr pro Event: 1-2Mb (Tracks, Calo-Daten, etc.) Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 28

29 Urknall am LHC? Manfred Jeitler, Institut für Hochenergiephysik 29