Post on 06-Apr-2016
Programm• 09.30 – 09.50: Begrüßung und Umfrage• 09.50 – 11.30: Vorträge
• Ein Universum voller TeilchenEinführung in die Teilchenphysik
• Das Unsichtbare sichtbar machenDetektoren und Wechselwirkung von Teilchen mit Materie
• 11.30 – 12.00: Pause (Mittagessen)• 12.00 – 14.00: PC-Übung und Auswertung
• Einführung in die PC-Übung• PC-Übung• Auswertung
• 14.00 – 14.10: Pause• 14.10 – 15.30: Abschlussvortagr, Quiz und Umfrage
Ein Universum voller Teilchen
Einführung in die Teilchenphysik
25.01.2012 Martin Mamach
Motivation
Warum?
Motivation
Motivation
Was?
Motivation
KollisionenMaschine
Motivation
Alle uns bekannten Bausteine
Motivation
Alle uns bekannten Bausteine
4%
Motivation
Kräfte
Motivation
Kräfte
Motivation
Kräfte
Motivation
Kräfte
Motivation
Freude und Begeisterung
Motivation
Freude und Begeisterung
... Begründung für 174 Millionen Euro (2010)
Motivation
• Grundlagen der Physik der Elementarteilchen und von Detektoren• Teilchenzoo des Standardmodels• Arbeitsweise von Beschleunigern• Themen aktueller Forschung
(Gelehrt ab dem 5. Semester des Physikstudiums)
• Verständnis wissenschaftlicher Arbeit• Womit und wie werden Teilchen erkannt• Datenanalyse mit echten Daten
• Superlative in der modernen Physik• CERN • Andere Teilchen- und Astroteilchenphysik
Motivation
Motivation
Motivation
Motivation - Spielregeln
Ihr fragt etwas• Interesse am
Thema• Ausführlichere
Erklärung
Wir fragen etwas• Zum Nachdenken
anregen• Probleme?
Motivation - Spielregeln
Ihr fragt etwas• Interesse am
Thema• Ausführlichere
Erklärung
Wir fragen etwas• Zum Nachdenken
anregen• Probleme?
Mitarbeit verbessert es für beide Seiten
Motivation - Spielregeln
Ihr fragt etwas• Interesse am
Thema• Ausführlichere
Erklärung
Wir fragen etwas• Zum Nachdenken
anregen• Probleme?
Mitarbeit verbessert es für beide Seiten
Es gibt keine dummen Fragen!Schätzen ist die Aufforderung etwas falschen zu sagen!
Ein Universum voller Teilchen
Einführung in die Teilchenphysik
25.01.2012 Martin Mamach
Aller Anfang …
• In ca. 6 Gruppen teilen• Jede Gruppe bekommt 14 Ereignisse
Woran oder wodurch können wir die Ereignisse unterscheiden ?
Bsp.: Anzahl der Richtungen in welche die Spuren fliegen.
Spurensuche
Bevor wir die Spuren untersuchen und verstehen können ...
... müssen wir wissen, womit wir es zu tun hat.
Aufbau der Materie
• Stecknadelkopf: 10-3m = 0,001m• Elektron, Quark:
<10-18m = 0,000000000000000001m
10-15 mProton
10-9 mMolekül
10-14 mAtomkern
<10-18 mQuark,
10-10 mAtom
1/10.000 1/10 ~ 0,01 mKristall
1/10.000.000 1/10 1/1.000
Elektron
Andere Einheiten
• Größe:1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m(1 µm = 1.000.000.000 fm)
• Energie: 1 eV = 1 Elektronvolt = 1.6 * 10-19 J(eine Ladung auf einem Meter bei 1 V Spannung)
1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0,000.000.0001
Sekunden zum Leuchten bringen
Andere Einheiten
• Größe:1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m(1 µm = 1.000.000.000 fm)
• Energie: 1 eV = 1 Elektronvolt = 1.6 * 10-19 J(eine Ladung auf einem Meter bei 1 V Spannung)• Masse via e = mc-2 :
1 eV = 1.78 * 10-36 kg( Protonmasse = 938 MeV ≈ 1 GeV)
Streuversuche: Unsichtbares Sichtbar machen
E.Rutherford: Struktur der Atome durch Streuversuche
Von Beschleunigern zu Collider
Ein Beschleuniger lenkt einen Strahl von beschleunigten Teilchen auf ein festes Ziel.
Collider – zwei kombinierte Beschleuniger:Zwei Teilchenstrahlen werden beschleunigt und zur Kollision gebracht:
Größere Energien werden erreicht.
Arten von Experimenten
• Elektron-Positron-Collider: Präzisionsmessungen• LEP, CERN in Genf bis 2000 (bis 105 GeV pro Strahl)• ILC (International Linear Collider) ab 2015(?)
• Elektron-Proton-Collider: Substrukturmessungen• HERA, DESY in Hamburg, bis 2007 (e: 30 GeV, p: 920 GeV)
• Hadron-Hadron-Collider: Enteckungsmaschienen• TEVATRON, FERMILAB in Chicago,
bis 2009 (900 GeV pro Strahl)• LHC, CERN in Genf (Proton-Proton)
seit 2009 (7000 GeV pro Strahl)
Wozu mehr Power?Teilchenstrahlen höchster Energie notwendig, dennmit steigender Energie E (bzw. Impuls p) der Projektile steigt • die Fähigkeit,
kleine Strukturen Dx zu erkennenDx Dp = ħ (Heisenberg)
• die Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugenE = mc2 (Einstein)
Wie beschleunigt man Teilchen?
Wie beschleunigt man Teilchen?
• Nur Verwendung geladene Teilchen
Wie beschleunigt man Teilchen?
• Nur Verwendung geladene Teilchen (elektrisch)Mit einem elektrischen Feld
Wie beschleunigt man Teilchen?
• Nur Verwendung geladene Teilchen (elektrisch)Mit einem elektrischen Feld
Teilchenbahn
magnetisches Feld
Wie lenkt man ein Teilchen?
• Mit einem Magnetfeld
sehr starke Magnetfeldernotwendig:o hoher Stromverbraucho nur möglich mit supraleitenden Magneten
Verschiedene Arten von Beschleunigern
Linearbeschleuniger: Speicherring:
• Funktionsprinzip:
Notwendige Zubehör:Teilchenbeschleuniger
Notwendige Zubehör:Teilchenbeschleuniger
Datennehmer:Detektor
Zielobjekt:Physik
Grundkräfte
4 bekannte Grundkräfte
Grundkräfte
4 bekannte Grundkräfte
Austauschteilchen sind die Quanten der Kraftfelder
Grundkräfte
Elektromagnetische Kraft
bekannteste aller Kräfte: elektrische und magnetische Phänomene
Botenteilchen: Photon γ
Eigenschaft der starken Kraft:- die notwendige Energie zum separieren von Quarks wächst mit dem Abstand (Analogie: Federkraft)- Gluonen tragen Farbladung und koppeln aneinander
Grundkräfte
Starke Kraft - Quantenchronodynamik• Quarks erscheinen nur im Verband (Bsp Proton = |uud> , Neutron = |ddu>)• Quarks erscheinen frei beweglich im Verband
Grund: Farbneutral3 Ladungen: rot, grün, blau
Grundkräfte
Schwache Kraft
Grundkräfte
Schwache Kraft
• Eigenschaften durch Theorie und andere Experimente gut vorhergesagt/bestimmt
Später selber bestimmen
Bausteine der Materie• Strukturlose, fundamentale
Teilchen: Alle Leptonen
• Teilchen mit innerer Struktur:• Proton, Neutron,….• aufgebaut aus Quarks
Stabile Materie: ? ? ?
Bausteine der Materie• Strukturlose, fundamentale
Teilchen: Alle Leptonen
• Teilchen mit innerer Struktur:• Proton, Neutron,….• aufgebaut aus Quarks
Stabile Materie: up- und down-Quark, Elektronen
Das Standard-Modell der Teilchenphysik
Sehr erfolgreiches Modell: Bisher in allen experimentellen Tests gut bestätigt
Noch nicht entdeckt, aber schon Hinweise gefunden: Higgs-Boson erklärt, wie Teilchen Masse bekommen
Offene FragenDas Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen
experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:
Offene FragenDas Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen
experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:
• Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)?• Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende
Antimaterie (CP-Verletzung)?
Offene FragenDas Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen
experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:
• Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)?• Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende
Antimaterie (CP-Verletzung)?• Gibt es eine fundamentale Kraft?• Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde?• Gibt es zusätzliche Dimensionen?
Offene FragenDas Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen
experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:
• Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)?• Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende
Antimaterie (CP-Verletzung)?• Gibt es eine fundamentale Kraft?• Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde?• Gibt es zusätzliche Dimensionen?• Kennen wir alle Teilchen
(Supersymmetrie, 4. Generation)?• Wir kennen nur einen kleinen Teil
des Universums (Dunkle Materie und dunkle Energie)!
Offene FragenDas Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen
experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:
• Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)?• Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende
Antimaterie (CP-Verletzung)?• Gibt es eine fundamentale Kraft?• Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde?• Gibt es zusätzliche Dimensionen?• Kennen wir alle Teilchen (Supersymmetrie, 4. Generation)?• Wir kennen nur einen kleinen Teil des Universums (Dunkle Materie
und dunkle Energie)!
LHC mit ATLAS, CMS, ALICE und LHCb
Notwendige Zubehör:Teilchenbeschleuniger
Datennehmer:Detektor
Zielobjekt:Physik