Hands on Particle Physics Masterclass Oliver Grünberg 1
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
1. Teil EINFÜHRUNG IN DIE TEILCHENPHYSIK 3
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
Von groß nach klein Auge Auflösung bis ca. 1mm Auflösung bis ca. 1µm = 0,001mm Lichtmikroskop. und weiter? 5
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
Auflösung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten 1. 2. 3. Detektor Keine Auflösung der Punkte/Lücke falls Photonen > Struktur 7
Auflösung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten Detektor 1. 2. 3. Kleine Strukturen kleine Photonen Größe der Lichtteilchen gegeben durch Wellenlänge λ Sichtbares Licht: λ= 400 800 nm Auflösung für Auge somit stark begrenzt! 8
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
Virus Silizium- kristalle 10
Streuversuche 11
Entdeckung der Atomstruktur Rutherford Streuexperiment (1910) 0,1 10 14 m + Elektron + Atomkern 12
Entdeckung der Quarks Beschuss von Protonen mit schnellen Elektronen Streuung der Elektronen an Quarks Detektor 13
Grundlagen 3 10 m 10 9 m 10 10 m 10 14 m 10 15 m 10 18 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 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 15
Bewegungsgesetze Wir wissen jetzt woraus Materie besteht, aber wie verhält sie sich? Bsp: Gravitation - Flugkurve beim Kugelstoßen 16 0 : x F g m y m F Ansatz x y Newtonsche Mechanik: 0 0 2 2 : x t v x y t v t g y Lösung x y
Bewegungsgesetze Kräfte sind die Ursache für Bewegungen (Dynamik) Es gibt 4 bekannte Kräfte im Universum Gravitation, Elektromagn., starke Kraft, schwache Kraft Ab 1925: Quantenmechanik (Atome, Moleküle) Ab 1928: Quantenfeldtheorie für schnelle Teilchen (Teilchenbeschleuniger) 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 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 19
Bsp.: die 3 Gesichter eines Quarks Photon ( el. Ladung) Quark Gluon ( Farbe) Q= ± 1/3, ±2/3 F=R,G,B T=1/2,0 W,Z ( Schwache Ladung) 20
Die elektromagnetische Kraft Eigenschaften Ladung: elektrische Ladung Q Kraftteilchen: Photon Empfänger: Quarks, Elektronen, Protonen Reichweite:, Stärke: 1 R E Beispiele: Laser, Radiowellen, Röntgenbilder, chemische Bindungen S E 21
Die starke Kraft Eigenschaften Ladung: 3 Farbladungen - rot, grün, blau Kraftteilchen: Gluon Empfänger: Gluon, Quark, Proton, Neutron Reichweite: Stärke: S R 15 S 10 m 20 S S E Beispiele: stabile Atomkerne, Quarkbindung zu Proton: u u Pion: d d u 22
Die schwache Kraft Eigenschaften Ladung: schwache Ladung (T = 1/2,0) Kraftteilchen: W±, Z0 Empfänger: Quarks, Leptonen Reichweite: R W 10 18 m Stärke: S 1/ 100 W S E Beispiele: Beta-Zerfall von Neutron und Proton 23
Die Gravitation Ladung: Energie, Masse Kraftteilchen: Graviton(?) Stärke: S Reichweite: 10 40 G S E R G Beispiele: Erdanziehung, Planetensysteme, Schwarze Löcher 24
Zusammenfassung Kräfte R 15 S 10 m R 18 S 10 m 40 10 25
Feynman-Diagramme (Sheldon zeigt Penny Feynman-Diagramme des Top-Quarks Zerfalls)
Feynman-Diagramme Darstellung der Wechselwirkungen Berechnungen anhand der Graphen möglich Bsp. W- Elektron-Elektron Streuung Elektromagn. WW. Myon-Zerfall Schwache WW. 27
Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte (bis März 2013) 28
Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte (ab März 2013) Higgs 29
Was ist das Higgsteilchen? Im SM sind alle Teilchen masselos Ansatz: Es gibt ein allgegenwärtiges Higgsfeld (Higgsfeld = Raumbereich in dem Higgsteilchen wirken) WW des Higgs-Teilchen mit anderen Teilchen verleiht ihnen Masse Vakuum: Higgs-Teilchen alleine reelles Teilchen zieht HiggsT. an Teilchen wird gebremst und träge, d.h. es wird massiv
Higgsfeld und Massenerzeugung WW Feld Teilchen 1. Beschleunigung eines Elektrons durch elektrisches Feld (Energieübertragung) 2. Higgsfeld übeträgt Energie = Masse / c² via Higgsteilchen an das Elektron
LHC - Die Higgsfabrik LHC = Large Hadron Collider Kollidiert Protonen mit E(Proton) = 4000 TeV v = c 9m/s Länge: 27 km 4 große Experimente:
Produktion von Higgsteilchen Higgsteilchen können erzeugt werden, wenn Protonen mit hoher kinetischer Energie kollidieren, bspw: Proton Gluonfusion Gluon Gluon q q q Higgs Proton Produktionsrate insgesamt: ~10 Higgs / Minute
Nachweis des Higgsteilchens H Das Higgs zerfällt auf viele Arten Zwei gut messbare Zerfälle: q q q γ P = 0.23% γ H Z 0 Z 0 l + l - l + l - l = e,µ P = 0.03%
Ergebnisse: Higgs γγ
Higgs 4l ( l = e,µ )
Ereignisbild mit Higgs μμμμ
Physiknobelpreis 2013 An Peter Higgs und Francois Englert für die Theorie des Higgsmechanismus
Offene Fragen 1. Frage: Wie entstand unser Universum? 41
Offene Fragen 2. Frage: Wo ist die Antimaterie? Am Anfang des Universums gab es gleich viel Materie und Antimaterie Eine Sekunde später war die Antimaterie weg CP-Verletzung: Materie und Antimaterie verhalten sich ein bisschen unterschiedlich
Offene Fragen 3.Frage: Woraus besteht unser Universum? bekannter Materie macht nur 4% unseres Universums aus 43
Offene Fragen 4. Frage: Gibt es eine Weltformel? Zusammenführen von Theorien schon teilweise gelungen! Elektrostatik Magnetostatik Elektrodynamik (1864) QED (1940er) Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Gravitation Elektroschwache Wechselwirkung (1967) 2010 Große Vereinheitlichung Weltformel Theory of Everything 44
Offene Fragen 5. Haben Quarks Unterstrukturen? 6. Weitere Elementarteilchen? 7. Weitere Dimensionen? es gibt noch viel zu tun! 45
2.Teil MESSUNG DES Z0-ZERFALLS 46
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 47
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? 48
Masse und Energie Einstein sagt: E=mc² m=e/c² Umrechnung: m( p ) 1,67 10 27 kg 1,5 10 10 J / c² Nutze Einheit Elektronenvolt: 1eV 1,6 10 19 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) = 91200 MeV/c² = 91,2 GeV/c² 49
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: 1,3 10 25 Unterliegt der schwachen WW und Gravitation s 50
Das Z0 Teilchen ist käuflich! http://www.particlezoo.net/
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( ) n e p 52
Ergebnis der Neutronrekonstruktion Lebensdauer (τ) und Energiebreite (σ) sind verknüpft: 34 h 6.6 10 J s 53
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 54
Bedeutung des Z0 Zentrale Frage: Wieviele Teilchen-Generationen gibt es? Besonderheit des Z0: Es zerfällt nur in Teilchen einer Familie! 55
Zerfallsbreite des Z0 Breite gibt Aufschluss über Zahl der Familien = Zahl der Neutrinos Zerfallsbreite des Z0 spricht für 3 Neutrinosorten 3 Teilchenfamilien 56
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 57
Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 58
Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 59
Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor Kalorimeter aus Bleiglas Myonen- Detektor 60
Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 61
Backup 62
Der Teilchenzoo 63
Relativitätstheorie Energie-Masse Äquivalenz: E=mc² Genauer: Falls: p 2 E mv 0 E mc 2 2 2 2 2 ( mc ) ( pc) m p 2 Masse: unveränderlicher Teil der Gesamtenergie (Bsp. Kugel) E² = m² + p² E p m 64
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 65
Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Klassisch 66
Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Modern 67
Quantenphysik & Relativität h p auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Teilchen-Welle-Dualismus: Modern 68
Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte (bis März 2013)