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Masterclasses Hands-on Particle Physics

Masterclasses Hands-on Particle Physics. Technische Universit ät Dresden - Montag , 25. Dezember 2010 Betreuer: Frank Seifert, Anne Glück Tutorin: Friederike Krüger Vorbereitung: Luise Kahnt. Masterclasses - Frank Seifert. 25.10.2010. Ablauf des Tages.

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Presentation Transcript

  1. MasterclassesHands-on Particle Physics TechnischeUniversität Dresden -Montag, 25. Dezember2010 Betreuer: Frank Seifert, Anne Glück Tutorin: Friederike Krüger Vorbereitung: Luise Kahnt Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  2. Ablauf des Tages Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  3. ErsteKollisionenbei 0,9 TeV am 23.11.09 Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  4. EinführungElementarteilchen • HabtihrFragenzurTeilchenphysik? • Zum Aufbau der Welt? • Zum Universum? Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  5. WarumElementarteilchenphysik?? • Worausbestehenwir und unsere Welt? • Welchessind die kleinstenBausteine (fundamentalenTeilchen)? • WelcheKräftehaltenalleszusammen? • Gibteseineeinfache, einheitlicheBeschreibungfür das Ganze? Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  6. AufbauderMaterie – Das Standardmodell Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  7. AufbauderMaterie – Das Standardmodell - SichtbareMaterie Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  8. AufbauderMaterie – Das Standardmodell - - - SichtbareMaterie Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  9. AufbauderMaterie – Das Standardmodell El. Ladung +2/3 -1/3 0 - - - -1 SichtbareMaterie Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  10. AufbauderMaterie – Das Standardmodell El. Ladung El. Ladung +2/3 -2/3 -1/3 +1/3 0 0 - - - + + + -1 +1 Antimaterie SichtbareMaterie Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  11. Woherweiß man das? Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  12. NützlicheEinheitenfürTeilchen • 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 Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  13. Teilchenphysik = Hochenergiephysik? Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  14. >0,15µm Teilchenbeschleuniger als Mikroskope • Sehen = AbbildenAbbilden = Strukturauflösen(funktioniertauchohneLicht!) • „Auflösungsvermögen“: Treffgenauigkeit << GrößederStrukturenProjektilgröße << GrößederStrukturen • Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV) Beispiel:0,2 µm bei E = 1 eV200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  15. UnbekanntesObjekt in einerHöhle • Projektil: Basketbälle Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  16. Projektil: Tennisbälle Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  17. Projektil: Murmeln ...Nichts wie weg ! Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  18. Funktionsprinzip: • Linearbeschleuniger: • DESY (Hamburg) Die MikroskopederTeilchenphysik:Beschleuniger • Habtihrauchdaheim! Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  19. Bis 2000: e-e+bei LEP (CERN) Strahlenergie Ee= 40-100 GeV Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  20. Die AugenderTeilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 • ElektronischeBilder Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  21. Die nächste Generation: Der Large HadronCollider LHC Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  22. 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 mmDurchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mmDurchmesser Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  23. Bildervom LHC Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  24. TU Dresden: ATLAS Experiment JedeTeilchenarthinterlässtbestimmteKombination von Signalen in den Komponenten ZwiebelschalenartigerAufbauverschiedenerKomponenten 170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  25. Ziele: SuchenachNeuem • Higgs Teilchen (was istüberhaupt Masse?) • Supersymmetrie (DunkleMaterie?)nur5% des Weltallsist „normale“ Materie • zusätzlicheRaumdimensionen Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  26. ZusammenfassungBausteine • Fundamentale Bausteine der Materie: • Alle punktförmig • Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? • Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ? Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  27. Die 4 Kräfte - WechselwirkungzwischenMateriebausteinen - • Allgemein: • KraftwirkungzwischenTeilchen • VerantwortlichfürTeilchen-Zerfälle und Produktion Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  28. AbstoßendAnziehend Prinzip von Kraftwirkungen • Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung • Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung • Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  29. Was isteigentlicheineLadung? • FundamentaleEigenschafteinesTeilchens • Additiv:Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) • Kommennur in VielfacheneinerkleinstenLadungsmengevor • Ladungisterhalten, d.h. sieentstehtwederneu, nochgehtsieverloren Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  30. Die 4 Kräfte Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  31. Die 4 Kräfte Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, FormungAtomkerne, Kernfusion Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  32. Die 4 Kräfte Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, FormungAtomkerne, Kernfusion Kernzerfälle, Radioaktivität, Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  33. Die 4 Kräfte Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, FormungAtomkerne, Kernfusion Kernzerfälle, Radioaktivität, Kosmos, Planetensysteme, Galaxien ? Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  34. Die MassenderElementarteilchen Scientific American, 1997 Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  35. Woherkommen die Teilchenmassen? Higgs-Teilchenwärefür die ErzeugungderTeilchenmassenverantwortlich. • GroßerForschungsschwerpunkt am LHC! Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  36. 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 Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  37. Z0  qq e+e- +- +- Zeit Z “Zerfälle“ • Das Z Teilchenistnichtstabil • Wandeltsichnach 3x10-25s (!) in andereTeilchen um e+ e- Z0 Z0 Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  38. Z0  qq e+e- +- +- Zerfallskanäle • Löcherentsprechen „Zerfallskanälen“ • FüreinzelnesWassermolekülAustrittslochnichtvorhersagbarFüreinzelnes Z-TeilchenZerfallskanalnichtvorhersagbar • Entleerungsdauer ~ absolute GrößederLöcherZerfallsdauer~Stärkeder „Kopplungen“ an TeilchenpaareErgebnis: „SchwacheWechselwirkung“ gar nicht so schwach! • VerhältnisderAustrittsmengen ~ GrößenvergleichderLöcherVerhältnisderZerfallswahrscheinlichkeiten ~ GrößenvergleichderKopplungen Aufgabe für danach! Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  39. Ergebnisse hochaktuell Veröffentlicht inPhysics Reports,Mai 2006 Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  40. Teilchenidentifikation = Detektivarbeit • Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten • Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten • feststellbareTeilcheneigenschaften: • aus Quarks („Hadronen“) • elektr. geladen / ungeladen • leicht / schwer Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  41. Detektorverhalten „Teilchen-Jet” Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  42. Zusammenfassung • Die unterschiedlichen Ladungenbewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen • Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren Hadronen Pion Myon Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

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

  44. ZusammenhangmitEntwicklung des Universums Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  45. Für die ganzNeugierigen BACKUP

  46. 1) Elektromagnetische Kraft Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen • Masselos • FliegtmitLichtgeschwindigkeit • TrägtselbstkeineLadung • UnendlicheReichweite (nimmtmit ~1/r2ab) • Koppelt an elektrischeLadung Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  47. 1) Elektromagnetische Kraft Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen • Masselos • FliegtmitLichtgeschwindigkeit • TrägtselbstkeineLadung • UnendlicheReichweite (nimmtmit ~1/r2ab) • Koppelt an elektrischeLadung EinLadungstypmitzweiZuständen: Ladungund Antiladung “plus” “minus” +- Ladung 0 Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  48. 2) Starke Kraft Quarkbindungen, FormungAtomkerne, Kernfusion • Masselos • FliegtmitLichtgeschwindigkeit • Koppelt an starkeFarbladung • TrägtselbststarkeLadung • SehrkurzeReichweitedurch Gluon-Selbstkopplung Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  49. 2) Starke Kraft Quarkbindungen, FormungAtomkerne, Kernfusion • Masselos • FliegtmitLichtgeschwindigkeit • Koppelt an starkeFarbladung • TrägtselbststarkeLadung • SehrkurzeReichweitedurch Gluon-Selbstkopplung DreiLadungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

  50. 2) Starke Kraft Quarkbindungen, FormungAtomkerne, Kernfusion • Masselos • FliegtmitLichtgeschwindigkeit • Koppelt an starkeFarbladung • TrägtselbststarkeLadung • SehrkurzeReichweitedurch Gluon-Selbstkopplung DreiLadungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau 0 0 0 Masterclasses - Frank Seifert 25.10.2010

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