slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Masterclasses Hands-on Particle Physics - Technische Universit ät Dresden - Dienstag, 23. M ärz 2010 Marie-Louise Menz PowerPoint Presentation
Download Presentation
Masterclasses Hands-on Particle Physics - Technische Universit ät Dresden - Dienstag, 23. M ärz 2010 Marie-Louise Menz

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 49

Masterclasses Hands-on Particle Physics - Technische Universit ät Dresden - Dienstag, 23. M ärz 2010 Marie-Louise Menz - PowerPoint PPT Presentation


  • 102 Views
  • Uploaded on

Masterclasses Hands-on Particle Physics - Technische Universit ät Dresden - Dienstag, 23. M ärz 2010 Marie-Louise Menzel, Dr. Uta Bilow, Michael Stoebe. Ablauf des Tages. Warum Elementarteilchenphysik??. • Woraus bestehen wir?. • Welches sind die fundamentalen Teilchen?.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

Masterclasses Hands-on Particle Physics - Technische Universit ät Dresden - Dienstag, 23. M ärz 2010 Marie-Louise Menz


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

MasterclassesHands-on Particle Physics- Technische Universität Dresden -Dienstag, 23. März 2010Marie-Louise Menzel, Dr. Uta Bilow, Michael Stoebe

warum elementarteilchenphysik
Warum Elementarteilchenphysik??

• Woraus bestehen wir?

• Welches sind die fundamentalen Teilchen?

• Welches sind die Kräfte, die alles zusammen halten?

• Gibt es eine einfache, einheitliche Beschreibung für

das Ganze?

• Woher kommen wir?

• Wohin gehen wir?

wir und alles um uns herum ist aus atomen aufgebaut
Wir und alles um uns herum ist aus Atomen aufgebaut

Menschliches Haar

~ 50 m = 50 10-6 m

= 0.000050 m

Atom ~ 10-10 m

= 0.0000000001 m

Magritte

vom atom zu den quarks
Vom Atom zu den Quarks

Wie klein sind die kleinsten Komponenten der Materie?

<10-18 m

<10-1 8 m

~ 10-14 m

~ 10-10 m

~ 10-15 m

n tzliche einheiten f r teilchen
Nützliche Einheiten für Teilchen

Größe:1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m(1 mm = 1.000.000.000.000 fm)

  • Energie:1 ElektronVolt = 1eV
  • 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig:könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen
teilchenbeschleuniger als mikroskope
Teilchenbeschleuniger als Mikroskope

>0,15µm

  • „Auflösungsvermögen“: Treffgenauigkeit << Größe der StrukturenProjektilgröße << Größe der Strukturen
  • Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV) , zum Beispiel:0,2 µm bei E = 1 eV200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV 0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV
unbekanntes objekt in einer h hle
Unbekanntes Objekt in einer Höhle

Projektil: Basketbälle

soviel zur einf hrung
Soviel zur Einführung ...

… aber was will man wissen?

das elektron e
Das Elektron, e
  • 1897 von J.J. Thomson entdeckt
  • Masse m= 0,5 MeV = 9,109·10-31 kg
  • Ladung q= -1·e

Keine innere StrukturElementarteilchen!

slide14

Noch ein Elementarteilchen

  • 1914 Chadwick b-Zerfall: n  p + e-
  • Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino nElektrisch neutraler Partner des Elektrons

Es befinden sich in jedem von uns ungefähr 30 Mio. Neutrinos vom Urknall.

sehr leicht

erst für

masselos

gehalten

schwach wechselwirkend (Fermi):999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung

das myon und das tau
Das Myon μ und das Tau τ
  • 1937 entdeckt
  • Höhenstrahlung: Teilchen aus dem All treffen auf Atmosphäre
  • Ähnlich dem Elektron
  • instabil, zerfällt nach 2,2·10-6s
  • schwerer,
  • ~ 200 me-
  • 1975 entdeckt
  • Ähnlich dem Elektron
  • instabil, zerfällt nach 5·10-13s
  • Viel schwerer, ~ 3000 me ~ 2 mp
zusammenfassung bausteine
Zusammenfassung Bausteine
  • Fundamentale Bausteine der Materie:
    • Alle punktförmig
  • Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen?
  • Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?
die 4 fundamentalen kr fte der natur
Die 4 fundamentalen Kräfte der Natur

Elektromagnetismus

  • TV, PCs
  • Magnete
  • e- e+ Erzeugung

Schwache

Wechselwirkung

  • Beta-Zerfall
  • pp fusion

Schwache

Ladung

Elektrische

Ladung

Starke

Wechselwirkung

  • Quark-Bindung

Schwerkraft

  • Hält uns auf der Erde

Farbladung

Masse

prinzip von kraftwirkungen
Prinzip von Kraftwirkungen
  • Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung
  • Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung
  • Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen

Abstoßend

Anziehend

was ist eigentlich eine ladung
Was ist eigentlich eine Ladung?
  • Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens
  • 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
  • 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
die schwache kraft
Die schwache Kraft
  • Ladung: schwache Ladung (hier: I3)
  • Arten: 1 Ladungsart
  • Botenteilchen: W-, Z0, W+
  • Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung:I3 = -1, 0, 1Masse: m = 80 – 90 GeV
  • Teilchen Up Down Neutrino Elektron I3 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2
die starke kraft
Die starke Kraft

u

d

down

up

u

d

u

d

Alle Quark Sorten kommen in 3 verschiedenen Versionen vor:

Diese nennt man “Farben”

Quarks verbinden sich um Farblose Teilchen zu bilden

  • Baryonen(3 Quarks: rot+ grün + blau = weiß)

  • Mesons(Quark-Antiquark Paar)

wie (rot + anti-rot) u-ubar Zustand

Die starke Kraft „klebt“ die Quarks zu gebundenen Zuständen zusammen

proton

p

Botenteilchen:

8 Gluonen(tragen je 1 Farbe und Antifarbe, masselos)

u

pion

u

das vollst ndige set der bausteinteilchen
Das vollständige Set der Bausteinteilchen
  • Das 4er Set der „1.Baustein-Generation“ wiederholt sich genau 2 Mal
die massen der elementarteilchen

~ 0,000.000.001

~0,000.000.01

0,511

105,7

1777

bzw. in Tonnen

Die Massen der Elementarteilchen

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

~ 0,000.000.05

Masse in MeV

animation was w re wenn
Animation: Was wäre wenn…

Download: www.teilchenphysik.de/e26/e50/e36571

Kleinere W-Masse

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

Tatsächlicher Ablauf

Kleinere d-Quarkmasse

Kleinere Elektronmasse

die natur kann aber noch mehr
Die Natur kann aber noch mehr
  • Bis jetzt haben wir die Materie kennen gelernt.
  • Es gibt aber auch Antimaterie.
was ist antimaterie
Was ist 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
z zerf lle
Z “Zerfälle“

Das Z Teilchen ist nicht stabil

Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere Teilchen um

Zeit

e+

e-

Z0 Z0

zerfallskan le
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



qq

e+e-

+-

+-

Aufgabe für heute nachmittag!

soweit zur theorie
Soweit zur Theorie ...

… aber wie wird es gemacht?

die mikroskope der teilchenphysik beschleuniger
Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger

Alte Fernseher

  • Funktionsprinzip:
  • Linearbeschleuniger:
    • XFEL, DESY (Hamburg)
slide33

Der Large Hadron Collider LHC

Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen

hier in dresden atlas experiment lhc
Hier in Dresden: ATLAS Experiment, LHC

170 Universitäten und

Institute aus 35 Ländern

Größenvergleich

lhc energie
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

vergleich der beiden gro experimente
Vergleich der beiden Großexperimente

ATLAS (2,9 MB) CMS (6,8 MB)

Ziele: Suche nach Neuem

  • Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?)
  • Supersymmetrie (Dunkle Materie?) nur 4% des Weltalls ist „normale“ Materie
  • zusätzliche Raumdimensionen
teilchenidentifikation detektivarbeit
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

zusammenfassung
Zusammenfassung
  • Die unterschiedlichen Ladungenbewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen
  • Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren
  • Sowie die Bildung vonHadronjets aus Quarks

Hadronen

Pion

Myon

auf der suche nach der weltformel
Auf der Suche nach der „Weltformel“

Fortschritt der PhysikZurück zum Urknall

heutige

experimentelle

Grenze

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

30 GeV e ¯ p 800 GeV

zusammenhang kosmologie teilchenphysik
Zusammenhang Kosmologie - Teilchenphysik

Teilchenbeschleuniger:Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV

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

gezielte, kontrollierte

einzelne Kollisionen

und deren Aufzeichnung

alle Teilchen kollidieren unkontrolliert

protonen und neutronen sind nicht elementar
Protonen und Neutronen sind nicht elementar!

Indirekte Hinweise: z.B. Ordnungsschema (60er Jahre)

1 fm

  • Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen  Quarks1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg
  • Nötige Treffgenauigkeit: << 1 fm  Energie >> 0,2 GeV
  • Resultat:
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

mehrere teilchen familien
mehrere Teilchen-Familien!

primäres Teilchen trifft auf Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe

p, He, ...

Atmosphäre

n

p

e



e

Entdeckt: 1937-1947wie e, nur 200x schwerer

e





Fuji

3776 m

slide48

Schnitt durch einen Sektor des CMS Detektors

Teilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen

Press “escape” to exit