Auf der suche nach den kleinsten bausteinen
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Auf der Suche nach den kleinsten Bausteinen. Erkennen von kleinsten Strukturen Beschleuniger und Detektoren Die kleinsten Bausteine Fundamentale Kräfte und Ladungen Zusammenhang mit Kosmologie. Herbstakademie, 8.10.2001 Michael Kobel. Was sind eigentlich Myonen ?

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Presentation Transcript
Auf der suche nach den kleinsten bausteinen
Auf der Suche nach den kleinsten Bausteinen

  • Erkennen von kleinsten Strukturen

  • Beschleuniger und Detektoren

  • Die kleinsten Bausteine

  • Fundamentale Kräfte und Ladungen

  • Zusammenhang mit Kosmologie

Herbstakademie, 8.10.2001Michael Kobel


H henstrahlung

  • Was sind eigentlich Myonen ?

  • Bestehen sie aus anderen Teilchen ?

  • Was wird aus Ihnen ?

  • Kommen sie in Materie vor?

  • Was sind überhaupt die kleinsten Bausteine der Materie?

Höhenstrahlung

  • Reaktionsprodukte (primärer) kosmischer Strahlung

  • Erdoberfläche: Einige 100 Teilchen pro Quadratmeter in jeder Sekunde

  • Meist Myonen (m)


Griechische philosophie
Griechische Philosophie

  • Elemente und Kräfte:500-430 v.Chr. Empedokles

    • Vier Elemente:Feuer, Wasser, Erde, Luft

    • Zwei Urkräfte: Liebe , Haß  Mischung , Trennung

  • Symmetrien:427-347 v.Chr. Platon

    • Symmetrische Körper: Schönheit der Gesetze

  • Kleinste Bausteine: 460-371 v.Chr.Demokrit

    • Atome:verschiedene Formen und Gewichte

    • Leere:Verbindung und Bewegung im Nichts


Besser als philosophieren experimentieren

  • Auge und Mikroskop: ~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer)1000 fach vergrößert

Besser als Philosophieren: Experimentieren

  • bloßes Auge: ~ 1mm

  • Immer noch keine Bausteine sichtbar

  • Wie groß sind die eigentlich ?


Messung der gr e eines ls ure molek ls
Messung der Größe eines Ölsäure Moleküls

  • Löse 0.6ml Ölsäure in 1l Alkohol 0.06%ige Lösung

  • Verteile 1 Tropfen (ca 0.02 ml) auf Wasseroberfläche

  •  Volumen der Ölsäure:1.2 * 10-11 m3 = (0,23 mm)3

  •  monomolekulare Schicht

  • Molekülgröße =Volumen / Oberfläche

  • Anzahl der Moleküle:~ 1016 = 10.000.000.000.000.000

  • In einer Kette aufgereiht:~ Erde – Mond (380 000 km)

C18H34O2


Wie kann man 0 001 m sehen

  • Dazu nötig:

    • Größe der Projektile << Größe der Strukturen

    • Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen

Wie kann man 0.001 µm „sehen“?

  • Was heisst überhaupt „sehen“ ?

  • Sehen = AbbildenWurfgeschoß (Projektil)  Zielobjekt  Nachweis (Detektor)

  • Wichtig: „Auflösungsvermögen“: Fähigkeit, Strukturen einer bestimmten Größe zu erkennen


Unbekanntes objekt in einer h hle
Unbekanntes Objekt in einer Höhle

  • Projektil: Basketbälle



...Nichts wie weg !


Einschub n tzliche einheiten f r teilchen

  • Energie:1 ElektronVolt = 1eV1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 1.000.000 eV1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 1.000.000.000 eV

Einschub: nützliche Einheiten für Teilchen

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

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


Treffgenauigkeit

>0,15µm

Treffgenauigkeit

  • Quantenmechanische Eigenschaft eines Teilchens

  • Hat *keine* Entsprechung in unserer Erfahrungswelt(Notbehelf: Wellenbild, *sehr* irreführend)

  • Grundregel (für hochenergetische Teilchen):Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV)zum Beispiel:0,2 fm bei 1 GeV = 1000 MeV200 fm bei 1 MeV = 1000 keV 0,00001 µm = 10.000 fm bei 20 keV 0,1 µm bei 2 eV 0,2 µm bei 1 eV


M gliche projektile f r strukturen 0 001 m
Mögliche Projektile für Strukturen < 0.001 µm

  • Sichtbare Lichtteilchen(!) (Photonen bei 0.25-0.5 eV)

    • Punktförmig (< 0.001 fm)

    • Treffgenauigkeit: 0.8 µm – 0.4 µm („Wellenlänge“)

  • Röntgenstrahlen (Photonen bei 20 keV)

    • Punktförmig (< 0.001 fm)

    • Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius)

    • Abbildung schwierig, da nicht fokussierbar

  • Elektronen bei 20 keV

    • Punktförmig (< 0.001 fm)

    • Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius (!) )

  • Protonen bei 2 GeV

    • Größe: 1 fm

    • Treffgenauigkeit: 0.1 fm (~ 1/10 Protonradius)

  • ...


Die struktur des atoms
Die Struktur des Atoms

  • Beschuss mit HeliumkernenGröße: 1.5 fm, Treffgenauigkeit: 1 fm

  • 1911 Rutherford: auf GoldfolieAtomdurchmesser: 100.000 fmHarter Kern: 5 fm(Kern : Atom) wie (Kirsche : Fußballfeld)

  • 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff Beobachtung einzelner Protonen

  • 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium Beobachtung einzelner Neutronen

  • kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen

  • umgeben von riesiger Elektronenhülle


Protonen und neutronen sind nicht elementar

1 fm

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:


Die mikroskope der teilchenphysik beschleuniger

  • Linearbeschleuniger:

    • Fermilab, Chicago (in Betrieb)

    • DESY, Hamburg (in Planung)

Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger

  • Haben Sie auch daheim!


Die augen der teilchenphysik detektoren
Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren

CERN, Genf, bis 2000

Elektronische Bilder


Ab 2006 atlas experiment cern
Ab 2006: ATLAS Experiment, CERN

170 Universitäten und

Institute aus 35 Ländern

Größenvergleich


Teilchenidentifikation detektivarbeit

Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

Teilchenidentifikation = Detektivarbeit


Direkter nachweis von quarks im proton
Direkter Nachweis von Quarks im Proton Signalen in den Komponenten

  • e-p Kollisionen bei HERA am DESY

30 GeV e ¯ p 800 GeV


Zusammenfassung bausteine
Zusammenfassung Bausteine Signalen in den Komponenten

  • Fundamentale Bausteine der Materie:

    • Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d

    • Alle punktförmig ( < 0.001 fm)

  • Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen?

  • Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?


n Signalen in den Komponenten

n

n

n

n

n

n

n

n

p

p

p

p

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p

p

p

p

q

q

Konzept der Wechselwirkungen

  • Wechselwirkung:

    • Kraftwirkung zwischen Teilchen

    • Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion

  • 4 fundamentale Wechselwirkungen

    • Gravitation (Schwerkraft)

    • Elektromagnetismus

    • Schwache Wechselwirkung

    • Starke Wechselwirkung

S

N


Prinzip von kraftwirkungen

Abstoßend Signalen in den KomponentenAnziehend

Prinzip von Kraftwirkungen

  • Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung

  • Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung

  • Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen


Was ist eigentlich eine ladung

Mehr wissen wir (noch) nicht Signalen in den Komponenten

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 Ladungsmengevor

  • Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren


Die elektromagnetische kraft
Die elektromagnetische Kraft Signalen in den Komponenten

  • 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 (Versuch)

    • Magnetfelder lenken elektrisch geladene Teilchen ab,umso weniger je höher deren Energie ist (Versuch)


Die starke kraft
Die starke Kraft Signalen in den Komponenten

  • 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, gr, b, g - -

  • Besonderheiten:

    • Endliche Reichweite ca 1 fm

    • Hält p, n und Atomkern zusammen

    • Makroskopisch nicht beobachtbar, außer radioaktiver Zerfall  Heliumkerne (Versuch)


Die schwache kraft
Die schwache Kraft Signalen in den Komponenten

  • 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 ElektronI3 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2

  • Besonderheiten:

    • Endliche Reichweite ca 0.0025 fm

    • Makroskopisch nicht beobachtbar, außer

      • Brennen der Sonne

      • Radioaktiver Zerfall des Neutrons

      • Analog: Zerfall des Myons µ  enn


Das neutrino geisterteilchen
Das Neutrino „Geisterteilchen“ Signalen in den Komponenten

  • Postuliert 1931, elektr. neutraler Partner des Elektrons

  • Extrem kleine Masse (< 1 / 1.000.000.000 Elektronmasse)

  • Sehr schwache Wechselwirkung(kann ohne Wechselwirkung die Erde durchfliegen)

  • Nachweis 1956: von 1012 Reaktorneutrinos pro Sekunde und mm2nachgewiesen in 10 Kubikmeter Wasser : 3 pro Stunde

  • 400 Neutrinos / Kubikzentimeter überall im Universum


Antimaterie
Antimaterie Signalen in den Komponenten

  • 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 (Energie) vernichten


Teilchen antiteilchen vernichtung bei cern
Teilchen-Antiteilchen Vernichtung bei CERN Signalen in den Komponenten


Zusammenfassung kr fte
Zusammenfassung „Kräfte“ Signalen in den Komponenten

  • Die unterschiedlichen Ladungenbewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen

  • Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren

  • Sowie die Bildung vonTeilchenjets aus Quarks


Das vollst ndige set der bausteinteilchen
Das vollständige Set der Bausteinteilchen Signalen in den Komponenten

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

  • Niemand weiss warum


Zusammenhang teilchenphysik kosmologie
Zusammenhang Teilchenphysik - Kosmologie Signalen in den Komponenten

Teilchenkollision bei

hohen Energien

heißes Universum

gezielte, kontrollierte

einzelne Kollisionen

und deren Aufzeichnung

alle Teilchen haben hohe

Energie (Temperatur)

und kollidieren unkontrolliert


R ckblick zum urknall
Rückblick zum Urknall Signalen in den Komponenten

im Bereich von

Theorien

durch

Experimente

gesichert


Schluss bersicht
Schlussübersicht Signalen in den Komponenten


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