Auf den Spuren der Elementarteilchen

• Beschleuniger und Detektoren• Z Produktion und Zerfall• Teilchenidentifikation• Zusammenhang mit Kosmologie

Masterclasses, Dresden, 1.3.2010Michael Kobel

Teilchenphysik = Hochenergiephysik

Forscher nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn

mit steigender Energie E (Impuls p) der Projektile steigt

• Fähigkeit, kleine Strukturen x zu erkennenx p = ħ(Heisenberg)

• Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen:E = mc2

(Einstein)

Wiederholung: nützliche Einheiten für Teilchen

• Größe:1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m(1 µm = 1.000.000.000 fm)

• Energie:1 ElektronVolt = 1eV

1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 1.000.000 eV1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 1.000.000.000 eV

• 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig:könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen

• Sehen = Abbilden

Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor)

Teilchenbeschleuniger als Mikroskope

• „Auflösungsvermögen“ : Treffgenauigkeit << Größe der StrukturenProjektilgröße << Größe der Strukturen

• Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV) , zum Beispiel:0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV 0,2 µm bei E = 1 eV

>0,15µm

Unbekanntes Objekt in einer Höhle

• Projektil: Basketbälle

• Projektil: Tennisbälle

• Projektil: Murmeln

...Nichts wie weg !

Protonen und Neutronen sind nicht elementar!• Indirekte Hinweise: z.B. Ordnungsschema (60er Jahre)

• Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen Quarks1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg

• Nötige Treffgenauigkeit: << 1 fm Energie >> 0,2 GeV

• Resultat:1 fm

Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger

• Haben Sie auch daheim!

• Funktionsprinzip:Simulation(externer Link)

• Linearbeschleuniger: • Fermilab, Chicago (in

Betrieb)• DESY, Hamburg (in

Planung)

Bis 2000: e-e+ Vernichtung bei CERN

Strahlenergie Ee= 40-100 GeV

Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren

Elektronische Bilder

CERN, Genf, bis 2000

Der Large Hadron Collider LHCKollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen

170 Universitäten undInstitute aus 35 Ländern

Größenvergleich

Hier in Dresden: ATLAS Experiment, LHC

• Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

• Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

LHC Energie• Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x

350 MJ

Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs

120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h

Nadelöhr:0.3 mm Durchmesser

Protonstrahlen am Kollisionspunkt:0.03 mm Durchmesser

Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug

page 10page 10CERN visit - Introduction

Bilder vom LHC Bilder vom LHC

Ein Blick in den Tunnel Ein Blick in den Tunnel

• Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu– Strukturen und Abständen von 10-19 Metern– Massen auf der Teraskala (E = mc2 = 1TeV)– Entwicklung des Universums nach dem

Urknall von 0,000.000.000.001 s bis 0,000.01 s

Animationen

Ziele: Suche nach Neuem:• Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?)• Supersymmetrie ( Dunkle Materie?)nur des Weltalls ist „normale“ Materie • zusätzliche Raumdimensionen

ATLAS (2,9 MB) CMS (68 MB)(externe Links durch Klicken aufs Bild)

http://atlas.ch/multimedia/downloads/ATLAS_Event.avi (55 MB)

Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09

1914 Chadwick -Zerfall: n p + e-

Þ Unerwartete Energieverteilung

Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino

Elektrisch neutraler Partner des Elektrons

sehr leicht

schwach wechselwirkend (Fermi): 999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung

ziemlich verbreitet im Universum 366.000.000 Neutrinos / m3

im Vergleich zu 0,2 Protonen / m3

Noch ein Elementarteilchen

Zusammenfassung Bausteine

• Fundamentale Bausteine der Materie:– Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d

zu Kernen oder Atomen gebunden– Neutrino ungebunden– Alle punktförmig ( < 0.001 fm)

• Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen?• Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?

• Wechselwirkung: – Kraftwirkung zwischen Teilchen– Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und

Produktion

• 4 fundamentale Wechselwirkungen

– Gravitation (Schwerkraft)

– Elektromagnetismus

– Schwache Wechselwirkung

– Starke Wechselwirkung

Konzept der Wechselwirkungen

N

S

q q pp

nn

nn

p

ppp

p

n

nnp

pnpn

p

Prinzip von Kraftwirkungen

• Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung• Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren

Wechselwirkung• Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen

Abstoßend Anziehend

www.physicsmasterclasses.org/exercises/unischule/baust/bs_6fram_lv123.html(nur in internet explorer abspielbar)

Was ist eigentlich eine Ladung?

• Eine Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens• Ladungen sind Additiv:

Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B)• Ladungen kommen nur in Vielfachen einer

kleinsten Ladungsmenge vor• Ladung ist erhalten,

d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren

Mehr wissen wir (noch) nicht

Die elektromagnetische Kraft

• Ladung: elektrische Ladung Q• Arten: 1 Ladungsart: „Zahl“, positiv oder negativ• Botenteilchen: Photon• Eigenschaften: elektrisch neutral: Q=0

masselos : m=0• Teilchen Up Down Neutrino Elektron

Ladung +2/3 -1/3 O -1• Besonderheiten:

– Unendliche Reichweite– Makroskopisch beobachtbar– Magnetfelder lenken elektrisch geladene Teilchen

ab,umso weniger je höher deren Energie ist (Fadenstrahlrohr)

Die starke Kraft

• Ladung: starke Ladung • Arten: 3 Ladungsarten: „Farbe“,

plus jeweilige Antifarbe• Botenteilchen: 8 Gluonen• Eigenschaften: tragen selber je 1 Farbe und

Antifarbe masselos : m=0

• Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung r, b, g r, b, g - -

• Besonderheiten:– Endliche Reichweite ca 1 fm– Hält p, n und Atomkern zusammen– Makroskopisch nicht beobachtbar,

außer im radioaktiven -Zerfall Heliumkerne

• Ladung: schwache Ladung (I1, I2, I3)

• Arten: 1 Ladungsart: „Zahlentriplett“• Botenteilchen: W-, Z0, W+

• Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I3 = -1, 0, 1 Masse : m = 80 – 90 GeV

• Teilchen Up Down Neutrino Elektron I3 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2

• Besonderheiten:– Endliche Reichweite ca 0.0025 fm– Makroskopisch nicht beobachtbar, außer

• Brennen der Sonne• Radioaktive Umwandlung („Zerfall“) des Neutrons

Analog: „Zerfall“ des Myons µ e

Die schwache Kraft

primäres Teilchen trifft auf

Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe

Atmosphäre

e

e

Fuji

3776 m

np

p, He, ...

e

Entdeckt: 1937-1947

wie e, nur 200x schwerer

mehrere Teilchen-Familien!

Das vollständige Set der Bausteinteilchen

• Das 4er Set der „1.Baustein-Generation“ wiederholt sich genau 2 Mal

• Niemand weiss warum

Eindeutige Vorhersagen• Ursache jeder Wechselwirkung:

Erhaltung von Symmetrien• Ergibt eindeutiges Set

von fundamentalen “Vertices”• Alle Prozesse sind Kombination

solch fundamentaler Vertices• Nur Teilchen mit entsprechender

Ladungnehmen an jeweiliger wechselwirkung teil

Zeit

z.B. Beta”zerfall” des Neutrons

Anm: Pfeilrichtung symbolisiert Antiteilchen Es läuft trotzdem in der Zeit nach

rechts

Masse in MeV

Die Massen der Elementarteilchen

1995: TeVatron, FNAL,ChicagoEntdeckung des Top QuarksMasse: 173 GeV !

Scientific American, 1997

bzw. in Tonnen

~ 0,000.000.01

~ 0,000.000.001

0,511

105,7

1 777

~ 0,000.000.05

• Die Masse der Atome kommt

– nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine– 99% aus Energie der Quarkbindung

• Ändern von mu ,md oder me hätte

– kaum Effekt auf Atommassen – kaum Effekt auf Materiedichte – riesigen Effekt auf Verhalten der Materie

• Erniedrige mW auf die Hälfte

– Sonne brennt viel zu schnell f. Evolution d. Lebens

• Erniedrige md – me um 1 MeV/c2

– ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs:

– keine Wasserstoff-Atome, n stabil

• Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2

– Proton- und Deuteriumzerfall– Keine Sterne– nur neutrale Teilchen (n,

Die Bedeutung der Teilchenmassen

p n W- e- e

• Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, wie ihre Werte zustande kamen.

• http://prola.aps.org/abstract/RMP/v68/i3/p951_1 R.N. Cahn, „The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life“(1996)

• http://arxiv.org/abs/hep-ph/9707380 V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, „The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model“ (1997)

• http://arxiv.org/abs/astro-ph/9909295v2 C. Hogan, „Why the Universe is Just So“ (1999)

• http://arxiv.org/abs/0712.2968v1Th Damour und J.F.Donoghue, „Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding“ (2007)

Animation: Was wäre wenn…

Tatsächlicher Ablauf

Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse

Kleinere W-Masse

View at: www.youtube.com/watch?v=p5cPg62z8xsDownload: http://www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen

Antimaterie

• Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchenmit umgekehrten Ladungsvorzeichen

• Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich

• Aus Botenteilchen können paarweiseMaterie- und Antimaterieteilchen entstehen

• Umgekehrt können Sich diese wieder zu Botenteilchen vernichten, z.B.e+ + e- Z0 , am besten wenn 2Ee=mZc2

mZ 2Ee

Z “Zerfälle“

• Das Z Teilchen ist nicht stabil• Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere

Teilchen um

Z0

e+e-

+-

+- qq

Zeit

Z0 Z0

e+

e-

Zerfallskanäle

• Löcher entsprechen „Zerfallskanälen“• Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht

vorhersagbarFür einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar

• Entleerungsdauer absolute Größe der Löcher Zerfallsdauer Stärke der „Kopplungen“ an Teilchenpaare Ergebnis: „Schwache Wechselwirkung“ gar nicht so schwach!

• Verhältnis der Austrittsmengen Größenvergleich der LöcherVerhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten Größenvergleich der Kopplungen

Z0

e+e-

+-

+- qq

Aufgabe für heute nachmittag!

Ergebnisse hochaktuell

• Veröffentlicht inPhysics Reports,

Mai 2006

Teilchenidentifikation = Detektivarbeit

• feststellbareTeilcheneigenschaften:– aus Quarks

(„Hadronen“)– elektr. geladen /

ungeladen– leicht / schwer

• Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

• Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

Schnitt durch einen Sektor des CMS DetektorsTeilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen

Press “escape” to exit

Detektorverhalten Mehr Durchschlagskraft für: - schwere Teilchen

- schwächere Wechselwirkung

Zusammenfassung • Die unterschiedlichen Ladungen

bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen

• Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren

• Sowie die Bildung vonHadronjets aus Quarks

Hadronen

PionMyon

Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets• e-p Kollisionen bei HERA am DESY

30 GeV e ¯ p 800 GeV

Zusammenhang Kosmologie - Teilchenphysik

frühes Universum: Temperatur 1015 K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV

alle Teilchen kollidieren unkontrolliert

gezielte, kontrollierteeinzelne Kollisionenund deren Aufzeichnung

Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV

Auf der Suche nach der „Weltformel“

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Schlussübersicht