Die Idee Was es mit dem Higgs auf sich hat

Die Idee Was es mit dem Higgs auf sich hat Philip Bechtle Bonn 11. Juli 2012 P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 1

Die Bedeutung von Ordnung und Symmetrien Ordnung auf jeder Skala Aus unserer Alltagwelt Der Kristall P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 2

Die Bedeutung von Ordnung und Symmetrien Ordnung auf jeder Skala Das Atom P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 2

Die Bedeutung von Ordnung und Symmetrien Ordnung auf jeder Skala Der Atomkern P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 2

Die Bedeutung von Ordnung und Symmetrien Ordnung auf jeder Skala Die Protonen und Neutronen P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 2

Die Bedeutung von Ordnung und Symmetrien Ordnung auf jeder Skala Bausteine P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 2

Die Bedeutung von Ordnung und Symmetrien Ordnung auf jeder Skala Die fundamentalen Bausteine der Materie + Higgs Boson(?) P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 2

Die Bedeutung von Ordnung und Symmetrien Bekannte Bausteine der Materie Symmetrie liegt der mathematischen Beschreibung zugrunde! P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 3

Die Bedeutung der Masse Was ist Masse E = m P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 4

Die Bedeutung der Masse Was ist Masse E = mc 2 P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 4

Die Bedeutung der Masse Was ist Masse Masse ist gespeicherte Energie In einer Wechselwirkung In Bewegungsenergie P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 5

Die Bedeutung der Masse Die Masse der Bausteine der Materie Wiederum ein geordnetes Muster Es ist extrem wichtig, daß dieses Muster so aussieht! P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 6

Der Higgs-Mechanismus Wir haben noch nicht viel direkte experimentelle Information darüber, wie die Masse der elementaren Teilchen erzeugt wird Aber sehr viel indirekte Information aus der Struktur der beobachteten Wechselwirkungen Und wir haben eine schöne Theorie: Der Higgs-Mechanismus P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 7

Die Erfinder des Higgs-Mechanismus Kibble,Guralnik,Hagen,Englert,Brout P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 8

Die Erfinder des Higgs-Mechanismus Peter Higgs P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 8

Der Higgs-Mechanismus P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 9

Der Higgs-Mechanismus Eigentlich verlangt die Symmetrie, daß alle Teilchen masselos sind! Das steht aber im Widerspruch zu unseren Experimenten! Die Teilchen haben Masse! Masse eines Teilchens: Energie, die in seiner Wechselwirkung mit dem Higgs gespeichert ist P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 10

Das Higgs-Teilchen Experimentelle Überprüfung des Higgs-Mechanismus: Finde das Higgs-Boson P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 11

Das Higgs-Teilchen Wenn die Party leer ist, haben alle Teilchen keine Masse! P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 12

Das Higgs-Teilchen Wenn die Party leer ist, haben alle Teilchen keine Masse! Kann nicht sein... P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 12

Der Higgs-Mechanismus Warum ist die Cocktail-Party eigentlich voller Leute? P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 13

Der Higgs-Mechanismus Warum ist die Cocktail-Party eigentlich voller Leute? Der instabile Ausgangzustand erfüllt die Symmetrie, aber es ist niemand auf der Party! P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 13

Der Higgs-Mechanismus Warum ist die Cocktail-Party eigentlich voller Leute? P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 13

Der Higgs-Mechanismus Darum ist die Cocktail-Party immer voller Leute! Der stabile Grundzustand verletzt die Symmetrie spontan, ohne daß die Theorie die Symmetrie verletzt! Und er füllt die Party! P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 13

Der Higgs-Mechanismus Darum ist die Cocktail-Party immer voller Leute! Das nennt man Spontane Symmetriebrechung. Dies ist der Schlüssel zur gesamten Struktur der Materie und ihrer Wechselwirkungen! P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 13

Der Higgs-Mechanismus Darum ist die Cocktail-Party immer voller Leute! Das nennt man Spontane Symmetriebrechung. Dies ist der Schlüssel zur gesamten Struktur der Materie und ihrer Wechselwirkungen! Wir postulieren die Symmetrien und die Spontane Symmetriebrechung, und erklären damit die Struktur der Wechselwirkungen des Standardmodells. Aber wodurch erklärt sich die spontane Symmetriebrechung? P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 13

Wechselwirkungsstärke und Massen Die genaue Überprüfung des Higgs-Mechanismus Nur ein Beispiel aus vielen Möglichkeiten: Beim Higgs-Mechanismus...... bestimmt die Berühmtheit g des Teilchens seine Masse: γ Z 0,W τ, b h g hγγ h g hzz,hww h g hττ,hb b γ Z 0,W ± τ ±,b P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 14

It s just the beginning! Prof. Dr. R. D. Heuer CERN-Generaldirektor P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 15

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Warum wir Hinweise auf eine fundamentale Skala der Natur haben Unter der Annahme, die Quantenmechanik funktioniere auch auf der fundamentalsten Ebene der Bausteine der Materie: Warum das Elektron nicht aus anderen Teilchen zusammengesetzt sein kann: Begründung in drei Zeilen: P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 17

Warum wir Hinweise auf eine fundamentale Skala der Natur haben Unter der Annahme, die Quantenmechanik funktioniere auch auf der fundamentalsten Ebene der Bausteine der Materie: Warum das Elektron nicht aus anderen Teilchen zusammengesetzt sein kann: Begründung in drei Zeilen: Die Heisenbergsche Unschärferelation sagt uns: x p /2 = 3.29 10 16 evs Angewendet auf das Elektron, von dem wir aus Streuexperimenten wissen, daß es kleiner ist als r e < 10 18 m 10 18 m p /2 p 98GeV/c Das Elektron hat aber nur eine Masse von m e = 511keV/c 2... P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 17

Warum wir Hinweise auf eine fundamentale Skala der Natur haben Unter der Annahme, die Quantenmechanik funktioniere auch auf der fundamentalsten Ebene der Bausteine der Materie: Warum das Elektron nicht aus anderen Teilchen zusammengesetzt sein kann: Begründung in drei Zeilen: Die Heisenbergsche Unschärferelation sagt uns: x p /2 = 3.29 10 16 evs Angewendet auf das Elektron, von dem wir aus Streuexperimenten wissen, daß es kleiner ist als r e < 10 18 m 10 18 m p /2 p 98GeV/c Das Elektron hat aber nur eine Masse von m e = 511keV/c 2... Das Elektron muß elementar sein P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 17

Protonen und Neutronen Protonen und Neutronen sind die Bausteine der Atomkerne Fast die gesamte Masse eines Atoms sitzt im Kern Die Masse der u und d Quarks machen nur 2% der Protonmasse aus 98% der Masse stecken in der Wechselwirkungsenergie und der kinetischen Energie der Bausteine im Proton Trotzdem ist die kleine Masse der quarks entscheidend für das Verhalten von Protonen und Neutronen P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 18

Protonen und Neutronen Das Proton ist stabil (nur deshalb gibt es Wasserstoff, > 80% der gesamten Materie des Universums!) d-quark darf nicht viel leichter sein als das u-quark. d-quark darf aber auch nicht viel schwerer sein als das u-quark, sonst wäre das Neutron im Kern nicht stabil! P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 19

Wechselwirkungen Symmetrien Struktur dieser Wechselwirkungen aus Symmetrieannahmen ( Eichtheorie ) Das Higgs-Boson ist der Schlüssel zu der Struktur der Wechselwirkungen Vorhersage dieser Struktur Jahrzehnte vor ihrer exprimentellen Bestätigung P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 20

Wechselwirkungen Symmetrien Feldstaerke Feld 1 Feldstaerke Feld 2 Struktur dieser Wechselwirkungen aus Symmetrieannahmen ( Eichtheorie ) Das Higgs-Boson ist der Schlüssel zu der Struktur der Wechselwirkungen Vorhersage dieser Struktur Jahrzehnte vor ihrer exprimentellen Bestätigung P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 20

Symmetrie als zentrales Prinzip Strkutur und Wechselwirkung der Bausteine der Materie aus Symmetrieanforderungen Feldstaerke Feld 1 Feldstaerke Feld 2 z.b.: Alle Prozesse in der Natur müssen unverändert bleiben, egal, wie ich das Koordinatensystem drehe P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 21

Symmetrie als zentrales Prinzip Strkutur und Wechselwirkung der Bausteine der Materie aus Symmetrieanforderungen Feldstaerke Feld 2 Feld 1 Feldstaerke z.b.: Alle Prozesse in der Natur müssen unverändert bleiben, egal, wie ich das Koordinatensystem drehe P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 21

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(Fast) gleiche chemische Eigenschaften kommen im Setzkasten mirakulöserweise untereinander zu liegen P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus Abendvortrag Bonn 11.07.2012 22