Elementarteilchenphysik I RWTH SS 2007
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- Steffen Roth
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1 Elementarteilchenphysik I RWTH SS 2007 Thomas Hebbeker verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält... und die Evolution des Universums Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Methoden: Beschleuniger und Detektoren Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Offene Fragen Teilchenphysik an der RWTH V
2 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Struktur der Materie Quantentheorie und Relativitätstheorie Materie: Leptonen und Quarks Kräfte: Die vier Wechselwirkungen Theoretische Beschreibung: Feynman-Diagramme Das Standardmodell Methoden: Beschleuniger und Detektoren Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Offene Fragen Teilchenphysik an der RWTH
3 Die Struktur der Materie = 1 fm elektromagnetische Kraft (= elm. Wechselwirkung) Kernkraft ~ starke Wechselwirkung
4 Quantentheorie Grundlagen der Teilchenphysik relevant wenn Größen der Dimension Wirkung 16 (= Energie * Zeit = Impuls * Ort) nicht >> h = ev s Beispiel: Eigendrehimpuls (= Spin) des Elektrons: h / 2 Δx Δp > h 200MeV 1f Konsequenzen: Unschärferelation:, Zufall,... 1 Relativitätstheorie relevant wenn Geschwindigkeiten Beispiel: Quark im Proton: v c 8 v c = m / v c m c Konsequenzen:, Zeitdilatation,,... E = 2 1 s
5 Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems 14 2 Neutrino 0 < 2 ev (Sonne Erde: 6 10 / m / s ) Elektron MeV up-quark 2/3 5 MeV down-quark -1/3 10 MeV (nicht direkt beobachtbar) (3 Farb -Varianten) Kerne: Proton (938 MeV) = u u d, (Neutron), He, Li,..., Mesonen = q q Elementarteilchen mit Spin ½ (Fermionen) ~ 10 elementar: punktförmig/keine innere Struktur (heutige Messgenauigkeit ) 18 m Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung: ν ν e e + u u...
6 Quarks im Nukleon (Fusion zu Deuteron) Die 4 Kräfte/Wechselwirkungen erfahrbar: a) Bindungsphänomene b) Dynamik: Streuprozesse, Zerfälle Gravitation: vernachlässigbar im Mikrokosmos Elektromagnetische WW: e + p e + a) Atom b) (elast. Streuung) p Schwache WW: a) - b) d u eν ( n p eν ) Starke WW: (Beta-Zerfall) a) Nukleonen im Kern b) p + n d
7 Stärke und Reichweite der Kräfte Zu schwach für direkte Messungen
8 Beschreibung der Wechselwirkungen Feynman-Diagramme: Beispiele: Elastische Elektron-Quark-Streuung (elm. WW): Visualisierung und Berechnung von Wahrscheinlichkeiten t Photon = `virtuell! Kräfte: Austauschteilchen mit Spin 1 (Bosonen) Erzeugung eines Quark-Antiquark-Paares in der e + e -Annihilation (elm.ww) Photon = `virtuell!
9 Das Standardmodell der Teilchenphysik Materie: Spin ½ - Fermionen: Leptonen: viele Teilchen instabil! Quarks: Wechselwirkungen: Spin 1 Eichbosonen: elektroschwach: stark: Photon γ masselos Z-Boson Z 91 GeV W-Boson W + W - 80 GeV Gluon g masselos Experimentelle Daten werden akkurat beschrieben! (10 18 m )
10 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Methoden: Beschleuniger und Detektoren Strukturuntersuchungen Teilchenphysik und Kosmologie Teilchenbeschleuniger: Prinzipien, Beispiele Teilchendetektoren: Prinzipien, Beispiele Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Offene Fragen Teilchenphysik an der RWTH
11 Methoden der experimentellen Teilchenphysik Werkzeuge: Teilchenbeschleuniger Teilchendetektoren Unschärferelation: Δx 1/ E Studium der Kräfte bei hohen Energien: (Big Bang!) Neue schwere Teilchen (Masse m): HOHE ENERGIE!
12 Strukturuntersuchung
13 Teilchenphysik und Kosmologie Dunkle Materie = Neutralino? (Supersymmetrie) Teilchenbeschleuniger untersuchen Prozesse s nach dem Urknall (100 GeV) Materie- Antimaterie- Asymmetrie?
14 Teilchenkollisionen Teilchensorten: p, e und Antiteilchen Kerne
15 Teilchenbeschleuniger Prototyp: Braunsche Röhre Energiezufuhr nur im elektrischen Feld: Feld: statisch oder Welle max 10 MV/m
16 Linear oder zirkular? + Teilchen-Antiteilchen-Kollisionen + Recycling - Hohe Synchrotronstrahlungsverluste (e) Hohe Energien (100 GeV) erfordern große Beschleuniger (mehrere km)!
17 Linearbeschleuniger CERN 1968 Protonen E kin = 50 MeV E-Feld
18 [LEP, LHC] Forschungszentren und Beschleuniger FERMILAB (USA) [TEVATRON] SLAC (USA) [PEP-II] KEK (Japan) [HERA]
19 LHC (CERN) Large Hadron Collider Fast Magnete, davon 1232 supraleitende Dipole (8 Tesla)
20 LHC = Large Hadron Collider 7000 GeV GeV CERN
21 LHC (CERN): p (7000 GeV) + p (7000 GeV)
22 CCC = CERN Control Center
23 7 9 Grosse Teilchenbeschleuniger
24 Teilchen aus dem Universum Entdeckungen neuer Teilchen : kosmische Strahlung! Energien bis GeV
25 Jeder Teilchennachweis via elektromagnetische Wechselwirkung! Teilchendetektoren Spurdetektoren: Geladene Teilchen werden im Magnetfeld abgelenkt. Ionisation des Gases. Elektronen bewegen sich im elektrischen Feld zum Draht. Ortsauflösung ~ 0.1 mm Aus Krümmung folgt Impuls Kalorimeter: In Materie enstehen Sekundärteilchen, die das Material anregen. Das entstehende Licht wird nachgewiesen und ist ein Maß für die Energie. Energieauflösung ~ Prozent Nobelpreis 1992 Charpak
26 Universaldetektoren Nachweisbar: langlebige Teilchen mit elm. und/oder starker Wechselwirkung Viele Teilchen sind kurzlebig Nachweis nur über ihre Zerfallsprodukte
27 CDF-Detektor am Fermilab η η = ln tanθ / 2
28 e + e 204 GeV Kollisionsereignis im OPAL-Detektor (LEP)
29 Der geplante CMS-Detektor am LHC/CERN Magnet Spurdetektoren Kalorimeter
30 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Methoden: Beschleuniger und Detektoren Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Teilchen Wechselwirkungen Symmetrie-Verletzungen Bedeutende Resultate der letzten ~25 Jahre! Offene Fragen Teilchenphysik an der RWTH
31 Das Standardmodell der Teilchenphysik Materie: Spin ½ - Fermionen: Leptonen: Quarks: Wechselwirkungen: Spin 1 Eichbosonen: elektroschwach: stark: Photon γ masselos Z-Boson Z 91 GeV W-Boson W + W - 80 GeV Gluon g masselos
32 Nobelpreise: Die fundamentalen Fermionen 1995 Reines 1988 Steinberger et al 1995 Perl 2 ev 2 ev 2 ev 1990 Friedmann et al 1976 Richter, Ting 2002 Davis, Koshiba
33 Die Wechselwirkungen im Mikrokosmos `Vertex : Kopplungsstärke g (z.b. el. Ladung) Bosonmasse M: Reichweite Elektroschwache WW: Nobelpreise 1979, 1999 Glashow, Salam, Weinberg t Hooft, Veltman Boson Photon g W-Boson Z-Boson Gluon g WW elm. schwach schwach stark M Arten Farbkomb. 25 τ s s g ~ 0.1 ~ 0.1 ~ 0.1 ~ 0.3 Wahrscheinlichkeit R ~ fm ~ fm ~ 1 fm! Partner Gel. Teilchen alle alle Quarks
34 Elektromagnetische Wechselwirkung Bindungszustand: H-Atom: erlaubt: Erhaltungssätze: Ladung (immer), Teilchensorte (elm. WW) verboten:
35 Starke Wechselwirkung Isolierte Quarks gibt es nicht! Beobachtbar sind nur farbneutrale Kombinationen Meson = q q Baryon = q q q Bindungszustand: Gluon = Farbe+Antifarbe Zerfall: Starke WW: Nobelpreis 2004: Gross, Politzer, Wilczek Erhaltungssätze: Quarksorte, Farbe
36 Schwache Wechselwirkung Kollisionsereignisse: Zerfälle: W-Austausch: Teilchenart ist NICHT erhalten!
37 Baryonen Mesonen Hadronen = Quarkbindungszustände
38 Symmetrieverletzungen (schwache WW) Spiegelsymmetrie P Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie C verletzt! (1957) verletzt! T A aber: Kombination C P : ok! (linkshändiges T rechtshändiges A) Seit 1964: Experimente: Auch CP ist (schwach) verletzt! 0 B J / ψ 0 B J / ψ K s K s
39 Entdeckung von W und Z! CERN 1983 UA1, UA2 p p 600 GeV q q Z e e q q W eν Nobelpreis 1984 Rubbia, Van der Meer
40 Neutrinos aus Supernova SN 1987A (Magellansche Wolke)! e + ν e + ν + γ HST 1996 Kamiokande
41 Präzisionsmessungen bei LEP! Z-Masse: 1986: 2000: 92 ±1GeV ± GeV Zahl der Neutrinofamilien: 2000: N ν = 2.983± Top-Quark-Masse: 1993: m t =160 ± 30GeV (Vorhersage!)
42 Fermilab, 1995 Entdeckung des top-quarks CDF, D0! p p 1800 GeV m ± 2. 1GeV = (2007)
43 Neutrino-Oszillationen! M. Koshiba et al. Erdatmosphäre: Nachweis: ν μ + e μ Cerenkov Ergebnis: p + A π ν μ μ zu wenige, da ν ν μ τ Super- Kamiokande
44 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Methoden: Beschleuniger und Detektoren Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Offene Fragen Das Higgs-Boson Ist die Natur supersymmetrisch? Welche Rolle spielt Antimaterie im Universum? Teilchenphysik an der RWTH
45 Experiment: Das Higgs-Boson M M W Z = ± ± = ± ABER: Theorie verlangt: Alle Teilchen sind masselos! Ausweg: zusätzliches Teilchen: Higgs neutral, Spin-0, instabil, (nur) Masse unbekannt bisher experimentell nicht gefunden: M > 115 GeV
46 Das Higgs-Boson M M W Z ± = ± Messung = ± =0.8812± Rechnung zusätzliches Teilchen: Higgs neutral, Spin-0, instabil, (nur) Masse unbekannt Standardmodell-Theorie (mit Higgs) funktioniert hervorragend!
47 Supersymmetrie Materieteilchen: Spin ½ Austauschteilchen: Spin 1 Postulat: Es gibt eine Supersymmetrie zwischen Fermionen und Bosonen: Zu jedem Teilchen existiert Partner mit Spindifferenz ½ Beispiele: Experimentelle Massengrenzen: > 50 GeV Verbindung zur Astrophysik: Photino-Variante ( Neutralino ) = Dunkle Materie?
48 Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Kosmos Kann die im Labor gefundene kleine T-A-Asymmetrie dies erklären???... wahrscheinlich nicht... gleich viele Teilchen und Antiteilchen fast nur noch Teilchen + Photonen 1) gleich viele T und A 2) Symmetrie wird gebrochen : pro A gibt es T 3) Paare zerstrahlen in Photonen, 1 T bleibt übrig???
49 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Methoden: Beschleuniger und Detektoren Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Offene Fragen Teilchenphysik an der RWTH Institute und Projekte (Beispiele) CMS = Compact Muon Solenoid D0 Auger
50 Experimentelle Teilchenphysik in Aachen T.Hebbeker Institute: I B, III A, III B Theorie: Lehrstuhl E CMS [LHC], D0 [Tevatron] AMS, Auger, Xenon Double Chooz
51 LHC am CERN T.Hebbeker LHC = Large Hadron Collider 7 TeV p + 7 TeV p Aachen Physik: Higgs-Boson! Supersymmetrische Teilchen? CP-Verletzung 27 km Tunnel (LEP, LHC) Start: 2007
52 Der CMS Detektor T.Hebbeker
53 D0-Experiment am Tevatron T.Hebbeker p (1 TeV) + p (1 TeV) Top-Physik, QCD,... p p jet jet Suche nach Higgs Supersymmetrie...
54 Auger observatory T.Hebbeker Ultra high energy cosmic rays energy = 10 millionen x LHC origin 24 x fluorescence telescopes Argentina 50 km x 60 km = 3000 km x water tanks (cherenkov light)
55 Das Wichtigste sind die Köpfe! T.Hebbeker
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