Experimente der Teilchen und Astroteilchenphysik,

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1 Experimente der Teilchen und Astroteilchenphysik, A-Vorlesung, 3std., Di. 14:00 16:30 (mit 15 min Pause) Dozenten: W. Dünnweber, M. Faessler Skript: Vorlesungswebseite Inhalt (vorläufig): 20. April: Aktuelle Fragen der Teilchenphysik --- Kosmologie im Überblick 27. April (MF): Teilchennachweis 4. Mai (WD): Primordiale Nukleosynthese 11. Mai (WD): Elementsynthese in Sternen 18. Mai (MF): Struktur des Nukleons (Lepton-Nukleon-Ww; HERA, CERN) 25. Mai Fällt aus, Pfingsten 1. Juni (MF): Elektron-Positron-Vernichtung (LEP) 8. Juni (WD): Neutrinos von der Sonne, aus der Atomsphäre und aus Supernovae 15. Juni (WD): Neutrino-Oszillationen 22. Juni (MF): e+e- Vernichtung, Fortsetzung Belle, Barbar und ILC 29. Juni (MF): Antiproton-Proton, Proton-Proton bis Gold-Gold bei den höchsten Energien Tevatron, RHIC, LHC 6. Juli (WD): Dunkle Materie 13. Juli (WD): Dunkle Materie und Dunkle Energie 20. Juli (MF): Experimente und erste Resultate am LHC 1

2 Aktuelle Fragen der Teilchenphysik Überblick: - Was die Welt im Innersten zusammenhält - Teilchenbeschleuniger - Verschiedene Teilchen-Wechselwirkungen, Wirkungsquerschnitte 2

3 Das Innerste: Die 60 bekannten Elementarteilchen: 3 Familien von Materieteilchen (Spin ½ ) 1.Familie : Elektron e -, Neutrino ν e 6 Leptonen 2.Familie: Myon µ - ν µ 3.Familie: Tauon τ - ν τ 1.Familie: up u, down d 3 x 6 Quarks 2.Familie: charm c, strange s 3.Familie: top t, bottom b 24 verschiedene Teilchen + 24 Antiteilchen e +, v e d u s 12 Austauschteilchen, Quanten der Kraftfelder (Spin 1) Photon γ; W + -, W - -, Z O - Bosonen; 8 Gluonen Gesucht: Graviton (Spin 2), Higgs Boson (Spin 0) Elementarteilchen unterscheiden sich in insges. 6 Eigenschaften: Spin, Familienzugehörigkeit und (vereinfacht) Masse ( Schwereladung ), elektrische, schwache und starke Ladung. Die Ladungen 3 sind für die Wechselwirkungen relevant. Siehe nächste Seite.

4 ..und was es zusammenhält: Die drei Elementarkräfte KRAFT (assoziiertes Feldquant) 1)Gravitationskraft (Graviton??) 2) Elektro- (Photon) schwache Kraft (W und Z Bosonen) STÄRKE / N * ~ ~ REICHWEITE Unendlich unendlich m 3) starke Kraft (8 Gluonen) ~ m Zum Vergleich der Stärken der Wechselwirkungen: Zahlen entsprechen der Kraft zwischen 2 Quarks im Abstand von r = m (innerhalb der Reichweite aller Kräfte) N = Masseneinheit der Kraft: 1 N = 1 Newton = Kraft, um ein Glas (1 Deziliter) Wasser hoch zu heben Quarkmasse 1 GeV / c² (Masse eines Nukleons), elektrische Ladung von up, charm, oder top-quark. Die Formel zur Berechnung: Kraft F = ( Ladung ) 2 (ћc / r 2 ) mit ћ = h/2π ; für r = m ist (ћc/r²) = N 4

5 Wie sich das Universum aus Elementarteilchen zusammensetzt Von Quarks zu Hadronen Bestimmte Kombinationen aus Quarks und Antiquarks sind durch die starke Kraft gebunden: Hadronen : ca 400 verschiedene Hadronen bekannt. Die meisten Hadronen extrem kurzlebig. Nur 1 Hadron ist stabil, das Proton! (Antiproton auch stabil). Das Neutron ist nur im Kern-Verbund stabil. Proton besteht aus 2 Up-, 1 Down-Quark + Gluonen + kleine Anteile von Antiquarks und anderen Flavours. Neutron analog aus 2 Down-, 1 Up-Quark, Gluonen etc. Von Hadronen zu Kernen Neutron n und Proton p sind in bestimmten Kombinationen durch die starke Kraft zu Kernen gebunden. Ca 350 stabile Kerne. Zahl der Protonen pro Kern ist 1 (Wasserstoff) bis 92 (Urankern). Sichtbare Masse des Universums besteht zu 75% aus Wasserstoff, 25% Helium, < 1% schwerere Kerne. (Kohlenstoff, Sauerstoff etc sind rar im Weltall!) 5

6 Von Kernen und Elektronen zu Atomen zu komplexer Materie Kerne und Elektronen werden durch die elektromagnetische Kraft zu Atomen gebunden. Atome werden durch die elektromagnetische Kraft zu Molekülen und komplexeren Substanzen gebunden. Von Materie zu kosmischen Objekten Grosse Mengen von Materie werden durch die Schwerkraft zu Planeten, Sternen, Galaxien gebunden. Zusammenfassung: Wir und die ganze Erde bestehen im Wesentlichen aus Up- und Downquarks, Gluonen, Elektronen und Photonen. Nimmt man noch die bisher erforschte Zusammensetzung von und die Vorgänge in Sternen hinzu, hat es den Anschein: Die 1. Familie von Elementarteilchen zusammen mit den Bosonenγ, W, Z, Gluonen und den drei elementaren Kräften hätten genügt! 6

7 Arbeitshypothese von Teilchenphysikern: Ausgehend von den bekannten 60 Elementarteilchen + Higgs+Graviton, den 3 bekannten Kräften und wenigen physikalischen Grundgleichungen und Bauprinzipien (z.b. Pauliprinzip) muss sich das ganze Universum im Prinzip beschreiben lassen, bis zur inneren Grenze von bisher m und in Kürze, nach Inbetriebnahme von LHC: m und zurück in die Vergangenheit bis zu Sekunden nach dem Urknall. (Zu dieser Zeit entsprach die Temperatur des Weltalls Teilchenenergien von ev = gegenwärtig höchste Beschleunigerenergie, am LHC) Zusammenhang zwischen Teilchenenergie oder -impuls und innerer Grenze gegeben durch de Broglie - Wellenlänge In der Praxis setzen nur die Komplexität von Substanzen, die ungeheure Zahl der Komponenten (Beispiel Gehirn von Menschen und Tieren) der exakten Beschreibung eine Grenze. 7

8 Die grossen Fragen der Elementarteilchenphysik eine persönliche Auswahl Warum gibt es 3 Familien mit identischen Ladungen (abgesehen von Masse)? Sind die gegenwärtigen Elementarteilchen elementar, sind sie Strings, oder bestehen sie aus noch kleineren Teilchen? Wie sieht es weiter innen aus, unterhalb von m? Lassen sich die drei fundamentalen Kräfte zu einer Kraft vereinheitlichen? Gibt es das Higgsboson, ein hypothetisches Teilchen, das von der heutigen Standardtheorie der elektro-schwachen Wechselwirkung gebraucht wird? Wo ist die Antimaterie geblieben, die nach dem Urknall in gleicher Anzahl wie die Materie erzeugt wurde, nach unseren Vorstellungen? Woraus besteht die Dunkelmaterie und Dunkelenergie in den Galaxien? Eine neue Spezies von Elementarteilchen? 8

9 Alles Fragen, vielleicht sogar beantwortbar, die bescheiden sind in Anbetracht der unfassbaren Proliferation von Elementarteilchen, insbesondere von Photonen, Up- und Down-Quarks und Elektronen in unserem Universum, und in Anbetracht der Komplexität makroskopischer Objekte: Jeder Mensch enthält ca Upquarks... Die Sonne mal so viel. Es gibt Sonnen in der Galaxis und Galaxien im Universum. Der reine Wahnsinn. Warum gibt es so aberwitzig viele Teilchen? Hier sind wir bei der Sorte von kindlichen Fragen angekommen, die wahrscheinlich eher unbeantwortbar sind. 9

10 3 Beispiele für Teilchenbeschleuniger Bisher größter (im Umfang) Kreis-Beschleuniger ( war aktiv) : LEP Large Electron Positron Collider am CERN, Genf, Umfang 28 km 0.1 TeV Elektronen auf 0.1 TeV Positronen (1 TeV = ev ) Beschleuniger mit der bis vor Kurzem noch größten Energie TEVATRON Antiproton-Proton Collider am Fermilab, Chicago 1 TeV Protonen auf 1 TeV Antiprotonen Größter Beschleuniger mit höchster Energie (ab 2009): LHC Large Hadron Collider 28 km Umfang wie LEP, am CERN Ziel: 7 TeV Protonen auf 7 TeV Protonen LHC wird die innere Grenze von auf m verschieben. 10

11 Elektron-Positron Vernichtung zahlreiche Collider SPEAR,,, LEP, PEP-II, KEKB,. Elementarer Prozess: e + e - virtuelles Vektorboson (γ, Z) Teilchen + Antiteilchen wobei Teilchen elektrische oder schwache Ladung haben muss. Elektrische Ladung sei q in Einheiten der Elementarladung e, Ruheenergie des virtuellen Photons = Q, dann ist Wirkungsquerschnitt σ = (4π/3) (αq Ћc/Q) 2 mit α = 1/137 Ћc = 0.2 GeV fm Vertikale Skala im folgenden Bild: Einheit mb = cm 2 ( pb in PDG06 ist falsch) Darunter ist R = σ (e+e- Hadronen)/ σ(e+e- µ+µ-) gezeigt. Schwerpunktsenergie s = Q 11

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13 Lepton-Nukleon- Wechselwirkung zur Untersuchung der inneren Struktur des Nukleons. SLAC und zahlreiche Experimente mit Elektronen, Neutrinos, Myonen an Hadronen-Beschleunigern; HERA (DESY, Hamburg) ep (30GeV x 1TeV) Elementarer Prozess (ähnlich wie bei e+e-vernichtung): Lepton emittiert (Bremsstrahlung) virtuellesvektorboson(γ, Z) mit variabler Ruheenergie Q und Laborenergie EV, das mit Teilchen (Quarks) im Nukleon mit elektrischer oder schwacher Ladung wechselwirkt. Differentieller Wirkungsquerschnitt für eine bestimmte Quarksorte mit Ladung q, für V= γ (virtuelles Photon): dσ/dxdq 2 = 2π [1+(1-y) 2 ] f(x,q 2 ) (αq Ћc) 2 / Q 4 wobei y = Eγ / Leptonenergie x = Linearimpulsanteil des Quarks im Nukleon und f(x,q2) = Wahrscheinlichkeit für Impulsanteil x des Quarks 13

14 Proton- u. Antiproton-Proton oder Kern-Wechselwirkungen. Am kompliziertesten aber auch reichhaltigsten an elementaren Prozessen. Zahlreiche Beschleuniger. Vier große Collider, zuletzt Tevatron, RHIC u LHC. Totale Wirkungsquerschnitte in etwa konstant, schwacher, logarithmischer Anstieg mit der Energie bei hoher Energie. Analogon: Zusammenstoss von 2 zunehmend undurchlässigen Scheiben mit festem Radius (Reichweite der starken Wechselwirkung). Grenzfall undurchlässig: totaler Wirkungsquerschnitt = 2 mal geometrischer Querschnitte, elastischer WQ= inelastischer WQ (optisches Theorem, Unitarität, QM) 14

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16 Kreativität der Wechselwirkungen (Teilchenerzeugung aus dem Vakuum) Das, wonach der Teilchenphysiker meistens sucht, wofür er Detektoren baut, 16

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