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

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?.

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

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Presentation Transcript

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

  2. Ablauf des Tages

  3. 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?

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. Teilchenphysik = Hochenergiephysik?

  8. 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

  9. Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle

  10. Projektil: Tennisbälle Unbekanntes Objekt in einer Höhle

  11. Projektil: Murmeln Unbekanntes Objekt in einer Höhle ...Nichts wie weg !

  12. Soviel zur Einführung ... … aber was will man wissen?

  13. 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!

  14. 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

  15. 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

  16. Zusammenfassung Bausteine • Fundamentale Bausteine der Materie: • Alle punktförmig • Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? • Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?

  17. 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

  18. Prinzip von Kraftwirkungen • Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung • Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung • Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend Anziehend

  19. 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

  20. 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

  21. 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

  22. 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 

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

  24. ~ 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

  25. 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

  26. Die Natur kann aber noch mehr • Bis jetzt haben wir die Materie kennen gelernt. • Es gibt aber auch Antimaterie.

  27. 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

  28. Z “Zerfälle“ Das Z Teilchen ist nicht stabil Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere Teilchen um Zeit e+ e- Z0 Z0

  29. 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!

  30. Soweit zur Theorie ... … aber wie wird es gemacht?

  31. Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Alte Fernseher • Funktionsprinzip: • Linearbeschleuniger: • XFEL, DESY (Hamburg)

  32. Bis 2000: e-e+ Vernichtung bei CERN ~ 200GeV Strahlenergie Ee= 40-100 GeV

  33. Der Large Hadron Collider LHC Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen

  34. Hier in Dresden: ATLAS Experiment, LHC 170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern Größenvergleich

  35. 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

  36. 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

  37. 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

  38. 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

  39. Auf der Suche nach der „Weltformel“ Fortschritt der PhysikZurück zum Urknall heutige experimentelle Grenze

  40. Für die ganz Neugierigen BACKUP

  41. Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets • e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e ¯ p 800 GeV

  42. Bilder vom LHC

  43. 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

  44. 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:

  45. 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

  46. Schlussübersicht

  47. 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

  48. Schnitt durch einen Sektor des CMS Detektors Teilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen Press “escape” to exit

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