Hands on Particle Physics Masterclass. Oliver Grünberg

Transkript

1 Hands on Particle Physics Masterclass Oliver Grünberg 1

2 Fahrplan 1. Einführungsvortrag (45 Min.) 2. Diskussion & Pause (20 Min.) 3. Einführung in die Messungen (30 Min.) 4. Datenauswertung & Pause (75 Min.) 5. Ergebnisanalyse & Diskussion (15 Min.) 6. Abschlussquiz (20 Min.) 7. Vorstellung des Netzwerkes Teilchenwelt (10 Min.) 2

3 1. Teil EINFÜHRUNG IN DIE TEILCHENPHYSIK 3

4 Wozu Teilchenphysik? Klärung der Grundfragen der Physik Welche elementaren Teilchen gibt es? Welche Kräfte gibt es? Wie entstand unser Universums? Gibt es eine Weltformel? 4

5 Von groß nach klein Auge Auflösung bis ca. 1mm Auflösung bis ca. 1µm = 0,001mm Lichtmikroskop. und weiter? 5

6 Wie sehen wir Strukturen? Sehen = Abbilden! Wir sehen nur ein Abbild des Objekts Objekt Photonen tasten Oberfläche des Objekts ab Lichtquelle Detektor Genauigkeit des Abbilds ist begrenzt durch Eigenschaften der Lichtquelle und des Detektors 6

7 Auflösung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten Detektor Keine Auflösung der Punkte/Lücke falls Photonen > Struktur 7

8 Auflösung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten Detektor Kleine Strukturen kleine Photonen Größe der Lichtteilchen gegeben durch Wellenlänge λ Sichtbares Licht: λ= nm Auflösung für Auge somit stark begrenzt! 8

9 Neue Wege zur Untersuchung Benutze anderes Teilchen als Photon Quantenphysik sagt uns: h Planckkonstante p Impuls des Teilchens: p=m*v h p Folgerung: Teilchen mit hohem Impuls haben kleine Wellenlänge: Nutze schnelle Elektronen statt Photonen Elektronenmikroskop 9

10 Virus Siliziumkristalle 10

11 Entdeckung der Atomstruktur Rutherford Streuexperiment (1910) 0, m + Elektron + Atomkern 11

12 Entdeckung der Quarks Beschuss von Protonen mit schnellen Elektronen Streuung der Elektronen an Quarks Detektor 12

13 Grundlagen m 10 m 10 m m m m 1803: Elemente bestehen aus unteilbaren Einheiten (Atomen) 1897: Entdeckung des Elektrons 1910: Atome haben Kern und Schale 1935: Kern besteht aus Protonen & Neutronen 1960er: Protonen & Neutronen bestehen aus Quarks 13

14 Bekannte Materieteilchen Bekannte Materie besteht aus Teilchen der 1. Familie Je höher die Familie desto schwerer die Teilchen 2. und 3. Familie nur kurz nach dem Urknall vorhanden 14

15 Bewegungsgesetze Wir wissen jetzt woraus Materie besteht, aber wie verhält sie sich? Bsp: Flugkurve beim Kugelstoßen Newtonsche Mechanik: Ansatz : F x m 0 y m g Lösung : y x g 2 v x t t 2 x v 0 y t y 0 15

16 Bewegungsgesetze Kräfte sind die Ursache für Bewegungen (Dynamik) Es gibt 4 bekannte Kräfte im Universum Gravitation, Elektromagn., starke Kraft, schwache Kraft Langsam ( v<<c ) Schnell ( v~c ) Groß Newtonsche Mechanik Einsteins Relativitätstheorie Klein Quantenmechanik Quantenfeldtheorie Ab 1925: Quantenmechanik (Atome, Moleküle) Ab 1928: Quantenfeldtheorie für schnelle Teilchen (Teilchenbeschleuniger) 16

17 Kräfte und Ladungen Zu jeder Kraft gehört eine Ladung Teilchen tragen Ladungen Kräfte koppeln an die Ladung eines Teilchens (Bsp. F=m*g Gravitation ~ Masse) Kräfte können abstoßend oder anziehend sein Kraftwirkung = Übertragung von Energie und Impuls durch Kraftteilchen Photon Elektron Elektron 17

18 Ladungen von Teilchen 4 fundamentale Wechselwirkungen 4 fundamentale Ladungen: 1. Farbladung Starke Wechselwirkung 2. Elektr. Ladung Elektromagnetismus 3. Schw. Ladung Schwache Wechselwirkung 4. Energie, Masse Gravitationskraft Summe der Ladungen bleibt erhalten Ladungen eines Teilchens beeinflussen sich nicht gegenseitig 18

19 Bsp.: die 3 Gesichter eines Quarks 19

20 Die elektromagnetische Kraft Eigenschaften Ladung: elektrische Ladung Q Kraftteilchen: Photon Empfänger: Quarks, Elektronen, Protonen Reichweite: R E, Stärke: Beispiele: Laser, Radiowellen, Röntgenbilder, chemische Bindungen S E 1 20

21 Die starke Kraft Eigenschaften Ladung: 3 Farbladungen - rot, grün, blau Kraftteilchen: Gluon Empfänger: Gluon, Quark, Proton, Neutron Reichweite: Stärke: R 15 S 10 m SS 20 S E Beispiele: stabile Atomkerne, Quarkbindung zu Proton: u d u Pion: d u 21

22 Die schwache Kraft Eigenschaften Ladung: schwache Ladung (T = 1/2,0) Kraftteilchen: W±, Z0 Empfänger: Quarks, Leptonen Reichweite: R W m Stärke: S 1/ 100 W S E Beispiele: Beta-Zerfall von Neutron und Proton 22

23 Die Gravitation Ladung: Energie, Masse Kraftteilchen: Graviton(?) Stärke: Reichweite: 40 S G 10 S E R G Beispiele: Erdanziehung, Planetensysteme, Schwarze Löcher 23

24 Zusammenfassung Kräfte Kraft Rel. Stärke Kraftteilchen Masse Reichweite Starke Kraft 20 8 Gluonen 0 R 15 S 10 m EM-Kraft 1 Photon 0 Schwache Kraft 1/100 W±,Z0 85 bzw. 96 m(proton) R 18 S 10 m Gravitation Graviton 0 24

25 Feynman-Diagramme Darstellung der Wechselwirkungen Berechnungen anhand der Graphen möglich Bsp. W- Elektron-Elektron Streuung Elektromagn. WW. Myon-Antimyon Vernichtung Elektromagn. WW. Myon-Zerfall Schwache WW. 25

26 Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte Basis der Quantenfeldtheorie: starke Kraft (Atomkern) + schwache Kraft (Beta-Zerfall) + Elektromagnetismus (Licht, Radiowellen) Zerfälle und Wechselwirkungen berechenbar Standardmodell der Teilchenphysik (SM) 26

27 Offene Fragen 1. Frage: Wo kommt die Masse her? Higgs-Mechanismus Im SM sind alle Teilchen masselos WW des Higgs-Teilchen mit anderen Teilchen verleiht Masse Vakuum: Higgs-Teilchen alleine reelles Teilchen zieht HiggsT. an Teilchen wird massiv 27

28 Offene Fragen 2. Frage: Wie entstand unser Universum? 28

29 Offene Fragen 3.Frage: Woraus besteht unser Universum? bekannter Materie macht nur 4% unseres Universums aus 29

30 Offene Fragen 4. Frage: Gibt es eine Weltformel? Zusammenführen von Theorien schon teilweise gelungen! Elektrostatik Magnetostatik Elektrodynamik QED Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Gravitation Elektroschwache Wechselwirkung 2010 Große Vereinheitlichung Weltformel Theory of Everything 30

31 Offene Fragen 5. Haben Quarks Unterstrukturen? 6. Weitere Elementarteilchen? 7. Weitere Dimensionen? es gibt noch viel zu tun! 31

32 2.Teil MESSUNG DES Z0-ZERFALLS 32

33 Das Opal-Experiment Vielzweck-Experiment am CERN von 1989 bis 2000 Ziel: Erforschung des Z0 und seiner Zerfälle Grundprinzip: Kollision von e+ und e- und Erzeungung von Z0 33

34 Das Z0-Boson 1960er: Vorhersage in der Theorie der elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er: genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: Masse = 91,2 GeV/c² GeV/c²? 34

35 Masse und Energie Einstein sagt: E=mc² m=e/c² Umrechnung: m( p ) 1, kg 1, J / c² Nutze Einheit Elektronenvolt: 1eV 1, J Typische Größe: 1`000`000 ev = 1MeV Bsp. m(γ)=0 MeV/c² m(e-) = 0.5 MeV/c² m(µ-) = 106 MeV/c² m(p+) = 938 MeV/c² m(z0) = MeV/c² = 91,2 GeV/c² 35

36 Das Z0-Boson 1960er: Vorhersage in der Theorie der elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er: genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: Masse = 91,2 GeV/c² 97 H-Atome Elektrisch neutral Lebensdauer: 1, s Unterliegt der schwachen WW und Gravitation 36

37 Zerfälle von Teilchen Fast alle Teilchen sind instabil und Zerfallen (außer Proton, Photon, Elektron) Art und Weise der Zerfälle durch Naturkräfte bestimmt Teilchenphysiker rekonstruieren Teilchen aus seinen langlebigen Zerfallsprodukten Bsp: Betazerfall: n p + e- + ν Wichtig für alle Zerfälle: Messung von Energie & Impuls Energie- & Impulserhaltung E( n) E( p) E( e ) E( P( n) P( p) P( e ) P( ) ) e n p 37

38 Ergebnis der Neutronrekonstruktion Lebensdauer (τ) und Energiebreite (σ) sind verknüpft: 34 h J s 38

39 Lebensdauer und Zerfallsbreite Die Lebensdauer/Zerfallsbreite eines Teilchens ist abhängig von Zahl der möglichen Zerfälle ( Zerfallskanäle ) n 1 3 Je mehr Löcher desto schneller ist der Eimer leer ~1/ n 2 Je mehr Zerfälle desto breiter das Energiespektrum 1/ ~ ~ n 39

40 Bedeutung des Z0 Zentrale Frage: Wieviele Teilchen -Generationen gibt es? Besonderheit des Z0: Es zerfällt nur in Teilchen einer Familie! 40

41 Zerfallsbreite des Z0 Breite gibt Aufschluss über Zahl der Familien = Zahl der Neutrinos Zerfallsbreite des Z0 spricht für 3 Neutrinosorten 3 Teilchenfamilien 41

42 Zerfallswahrscheinlichkeit Heute: Messe die Zerfallswahrscheinlichkeiten des Z0 Definition: P( Z0 xx) N N xx Z 0 Betrachte 4 Zerfallsmöglichkeiten: 1. Z0 e+ e- 2. Z0 µ+ µ- 3. Z0 τ+ τ- 4. Z0 quark anti-quark 42

43 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 43

44 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 44

45 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor Kalorimeter aus Bleiglas Myonen- Detektor 45

46 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 46

47 Backup 47

48 Der Teilchenzoo 48

49 Quantenphysik & Relativität Energie-Masse Äquivalenz: E=mc² Genauer: Falls: p E mv ( mc ) 2 ( pc) 2 m 2 p 2 0 E mc Masse: unveränderlicher Teil der Gesamtenergie (Bsp. Kugel) E² = m² + p² E p m 49

50 Lebensdauer und Zerfallsbreite 1. Schwere Teilchen zerfallen immer in leichtere, wenn möglich! 2. Der Zerfall eines Teilchens ist ein statistischer Prozess! Manche Z0 leben länger als andere N 0 Zerfallsgesetz: N N 0 e t / 37% N 0 0 t 50

51 Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Klassisch 51

52 Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Modern 52

53 Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: h p auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Modern 53

54 Streuversuche 54