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Vom Kristall zum Elementarbaustein

Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002. Vom Kristall zum Elementarbaustein. Eine Reise zu den kleinsten Teilchen. Rainer Wanke Universität Mainz. Überblick. Auf dem Weg zu immer kleineren Dimensionen - die Entdeckung von elementaren Teilchen Von Quarks und Leptonen

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Vom Kristall zum Elementarbaustein

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  1. Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002 Vom Kristall zum Elementarbaustein Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Rainer Wanke Universität Mainz

  2. Überblick • Auf dem Weg zu immer kleineren • Dimensionen • - die Entdeckung von elementaren Teilchen • Von Quarks und Leptonen • - das Standardmodell der Teilchenphysik • Wie untersuche ich ein Elementarteilchen? • - ein Blick ins Forschungszentrum CERN • Offene Fragen • – warum bleibt‘s auch in Zukunft spannend?

  3. Untersuchung von Materie Wie untersuchen wir üblicherweise die Materie um uns herum? Große Objekte(> 1 mm)  Einfaches Anschauen Kleinere Objekte(~10 μm – 1 mm) Vergrößerung mit optischem Mikroskop Noch kleinere Objekte: Objekte sind so groß oder sogar kleiner als die Wellenlänge des Lichts (0,3 – 0,7 μm ).  Objekte stören Welle nicht.  Strukturen können nicht mehr aufgelöst werden !

  4. Wie kann man dennoch kleinere Strukturen untersuchen? Verwende kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht! z.B.:Röntgenstrahlung,Wellenlänge  ≈ 0,1 nm Gammastrahlung,Wellenlänge «0,1 nm Röntgenbeugung z.B. Kristallstrukturen „Laue-Diagramm“ Reflexion an Kristallgitterebenen Gitterabstand: d = 2  sin θ Aufbau des Kristallgitters

  5. Nachteile von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung • für Strukturuntersuchungen: • Fokussierung mit optischen Linsen nicht möglich. Andere Methoden schwierig / nicht existent. • Röntgenstrahlung nicht kurzwellig genug für sehr kleine Strukturen – Gammastrahlung sehr schwierig kontrolliert herzustellen.  Bessere Idee: Verwende Teilchen statt elektromagnetischer Strahlung !

  6. Welleneigenschaft von Teilchen Quantenphysik:Jedes Teilchen ist auch gleichzeitig eine Welle mit einerWellenlänge   h / p(de Broglie-Wellenlänge) Planck‘schesTeilchenimpuls Wirkungsquantum (umgekehrt:Elektromagnetische Wellen bestehen aus Teilchen Photonen )  Hohe räumliche Auflösungen =kleine Wellenlängen =große Impulse Verwendete Teilchen:z.B.Elektronen (leicht zu erzeugen und handzuhaben)

  7. Elektronenmikroskop • Lampe Elektronquelle • (z.B. Heizdraht) • Licht beschleunigteElektronen • Linsen Elektrische/magnetische • Felder • Auge  Detektor für Elektronen Zellkern Herpesvirus

  8. Beschleunigung von geladenen Teilchen Elektrisch geladene Teilchen (z.B. Elektronen) können auf einfache Weise in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Einfacher Elektronenbeschleuniger: Fernsehapparat (= Braunsche Röhre)

  9. Elektron durchläuft Spannungsdifferenz von 1 Volt kinetische Energie des Elektrons erhöht sich um 1 eV = 1 „Elektronvolt“ = 1,6 x 10-19 Joule z.B. Fernseher:Spannung ~ 10 kV = 10 000 V  Elektronen haben kinetische Energie von 10 keV E = mc2 ! Massen:Teilchenmassen werden in eV/c2 gemessen. E = m c2 m = E / c2 z.B.:Masse des Elektrons = 511 keV/c2 = 9,1 x 10-31 kg Masse des Protons = 938 MeV/c2= 1,7 x 10-27kg

  10. Radioaktive Strahlung Entdeckung der Radioaktivität und der radioaktiven Strahlung durch Henri Becquerel, Marie und Pierre Curie. Unterscheidung von: Alpha-Strahlung() Beta-Strahlung () Gamma-Strahlung () Helium-Atomkerne Elektronen Photonen

  11. Kosmische Strahlung Problem bei der Untersuchung der Radioaktivität: Es gab einen nicht reduzierbaren Untergrund in den Messungen, selbst wenn gar kein radioaktives Material vorhanden war. Angenommene Erklärung: Es gibt eine ständig vorhandene Strahlung, möglicherweise von ausserhalb der Atmosphäre. Dann muss diese Strahlung mit zunehmender Höhe ebenfalls zunehmen!

  12. 1912: Der Österreicher Victor Hess entdeckt die kosmische Strahlung durch Ballonflüge. Nobelpreis 1936 Aber immer noch unklar, um was für eine Art Strahlung es sich eigentlich handelt...

  13. Hauptbestandteil der kosmischen Strahlung (auf der Erdoberfläche): Geladene Myonen(+, -) (Entdeckt 1937 durch Carl David Anderson undSeth Neddermeyer.) Faustregel:1 Myon / Sekunde / Handoberfläche ? • Was ist ein Myon? • Myon ist schwerer Bruder des Elektrons! • Myon-Masse ~ 2000 x Elektron-Masse • Zerfällt nach 2 millionstel Sekunden • in ein Elektron (und zwei Neutrinos).

  14. Spuren von Teilchen Flugzeuge in grosser Höhe können (fast) nicht gesehen werden, aber hinterlassen Kondensstreifen: Abgase bilden Kondensationskeime, an denen der Wasserdampf der Luft kondensiert.  Spur des Flugzeugs gut sichtbar! Auch geladene Elementarteilchen können Spuren hinterlassen! Luftmoleküle werden ionisiert, Ionen können Kondensationskeime für den Wasserdampf bilden.  Nebelkammer

  15. Streuexperiment von Rutherford Zentrale Frage am Anfang des letzten Jahrhunderts: Wie sind eigentlich Atome aufgebaut? Bekannt: • Elektron als Teil des Atoms • Regelmässigkeit der Kristallstruktur Eine Vorstellung (unter vielen): Elektronen sind wie Rosinen verteilt im Teig eines„Atomkuchens“. Atome sind mehr oder weniger undurchlässige Objekte, die den gesamten Raum ausfüllen.

  16. 1913: Ernest Rutherford schiesst -Teilchenauf sehr dünne Goldfolie. Nur sehr wenige Teilchen werden abgelenkt, die aber dafür sehr stark.

  17. Ergebnis des Streuexperiments: Teilchen gehen nicht ungehindert durch Goldfolie hindurch Gezählte Teilchen Im Atom befindet sich hartes Streuzentrum Streuwinkel Rutherford-Experiment 5 MeV -Teilchen auf Au Atomkern

  18. Atomkern besteht • aus schweren, positiv • geladenen Teilchen • (Protonen) und • schweren, neutralen • Teilchen (Neutronen). • Die sehr viel leichteren • Elektronen befinden sich • im leeren Raum um den • Atomkern. • Leichtestes Element = Wasserstoff •  Proton = Wasserstoffkern • Protonen und Neutronen werden durch • sogenanntestarke Kraftim Kern zusammengehalten. • (viel stärker als elektromagnetische Abstoßung!)

  19. Die schwache Wechselwirkung Radioaktiver Beta-Zerfall: Atomkern zerfällt in ein Elektron und einen Atomkern mit Ordnungszahl - 1 Neutron  Proton + Elektron Prozess findet nur selten statt:  Verantwortliche Kraft:„Schwache Wechselwirkung“ Allerdings Problem:Energieerhaltungist nicht erfüllt: Energie des Elektrons < Massendifferenz zwischen altem und neuen Atomkern xc 2 Energie scheint verloren zu gehen! Energieerhaltung aber „heiliges Prinzip“in der Physik... ?

  20. 1930: • Wolfgang Pauli • schreibt Brief an die • „Lieben Radioaktiven • Damen und Herren“: • „ ... es könnten elektrisch • neutrale Teilchen .... in • den Kernen existieren ...“ • Neues Teilchen ist praktisch masselos • Neues Teilchen ist elektrisch neutral Neutron  Proton + Elektron + Neutrino Neutrinowird zuerst nur als hypothetisches Teilchen angenommen - wie soll man es auch nachweisen??? (Leicht, elektrisch neutral, nur schwach wechselwirkend) Postuliertes Neutrino

  21. Nachweis des Neutrinos erst viel, viel später (1959!). • Extrem schwach wechselwirkend: • Können Bleiwand zwischen Sonne und Erde • mit 50% Wahrscheinlichkeit durchschlagen. • Praktisch masselos. • Überall vorhanden. • Jede Sekunde durchquerenMillarden Neutrinos • von der Sonnejeden Quadratzentimeter auf der Erde!

  22. Antimaterie Jedem bekannt: In der Zukunft fliegen Raumschiffe mit einem Antimaterie -Antrieb • Aber ... : • Was istAntimaterieeigentlich? • Gibt‘s das wirklich? Oder ist das doch nurScience Fiction?

  23. Die Entdeckung der Antimaterie • Anfang des letzten Jahrhunderts zwei ganz neue Theorien: • Spezielle Relativitätstheorie(Einstein): Physik bei sehr hohen Geschwindigkeiten. v Lichtgeschwindigkeit • Quantenmechanik(Bohr, Heisenberg, Schrödinger, ...): Physik bei sehr kleinen Abständen. d Atomdurchmesser Elektronen: Sehr klein und sehr schnell. Gemeinsame, kombinierte Theorie erforderlich. • Lange Suche nach solcher gemeinsamen Theorie...

  24. 1927:Paul Adrien Maurice Dirac • Relativistische Beschreibung der Quantenmechanik • des Elektrons. • Allerdings:Formel ist quadratische Gleichung • mitzwei Lösungen. • Das Elektron wird durch die • positive Lösung beschrieben. • Aber was ist mit der zweiten Lösung??? • Wäre Elektron mit positiver Ladung. • Gibt es sowas überhaupt? • Oder ist die zweite Lösung nur ein nicht • in der Natur vorkommendes Artefakt?

  25. Fünf Jahre später (1932): Entdeckung des Positrons in der kosmischen Strahlung durch Carl David Anderson. Das Positron hat genau die gleichen Eigenschaften wie ein Elektron (Masse = 511 keV/c2, gleiche Signatur im Detektor) Aber großer Unterschied: Es ist positiv geladen! Mögliches Photo der Teilchenspur mögliche Spur eines Elektrons

  26. Fünf Jahre später (1932): Entdeckung des Positrons in der kosmischen Strahlung durch Carl David Anderson. Das Positron hat genau die gleichen Eigenschaften wie ein Elektron (Masse = 511 keV/c2, gleiche Signatur im Detektor) Aber großer Unterschied: Es ist positiv geladen!  umgekehrte Krümmung der Spur im Magnetfeld! Tatsächliches Photo der Teilchenspur tatsächliche Spur eines Positrons!

  27. Was also ist nun Antimaterie? • Zu jeder Teilchensorte existiert ein Antiteilchen • mit genau denselben Eigenschaften aber umgekehrten • elektrischen (und sonstigen) Ladungen. • und so weiter ... • Wenn Teilchen und Antiteilchen zusammenstossen, • vernichten sie sich in reine Energie( E = m c2 ! ) • Andersherum können Teilchen-Antiteilchen-Paare • aus Energie(d.h. hochenergetischer Gamma-Strahlung) • gewonnen werden. Photon (Energie > 2 x 511 keV) Elektron + Positron

  28. Heutzutage:Antimaterie wird in Teilchenphysiklabors ständig in großen Mengen erzeugt (vor allem Positronen und Antiprotonen). Vor kurzem: Herstellung von einigen Antiwasserstoffatomen (1995)(= Positron gebunden an Antiproton) am CERN. Und wie war das mit den Raumschiffantrieben? Prinzipiell möglich – Antimaterie ist konzentriertester Energieträger! Aber wer möchte schon zusammen mit einem Block Antimaterie ins Raumschiff steigen?

  29. Hilfe! Immer mehr Teilchen! 50er und 60er Jahre: Erste Teilchenbeschleuniger werden gebaut.  Viele, viele neue Teilchen werden entdeckt. (, K, , , , , …) “Teilchenzoo” Die meisten Teilchen sind sehr kurzlebig und zerfallen gleich wieder. Reaktion in einer Blasenkammer Große Frage: Welches Ordnungsschema steckt hinter der Vielfalt der Teilchen ???

  30. Die Lösung: „Quarks“ • Alle Hadronen(= stark wechselwirkende Teilchen) • sind entweder aus drei Quarks oder aus • einem Quark und einem Anti-Quarkaufgebaut. • Quarkshaben drittelzahlige elektrische Ladungen. 3 Quarks: „Baryonen“ Proton Neutron u u d d u d Quarks: upupdown Ladung: Quarks: updowndown Ladung:

  31. Quark + Anti-Quark: „Mesonen“ positiv geladenes Pion negativ geladenes Pion u d Quarks: upAnti-down Ladung: Quarks: Anti-updown Ladung: Die geladenen Pionen zerfallen aufgrund der schwachen Wechselwirkung:   Myon + -Neutrino Freie Quarks Es gibt nurMesonen und Baryonen. Freie Quarks kommen nicht vor!

  32. Das Standardmodell der Teilchenphysik Quarks: Leicht Schwer Quarkmassen:m(up) ≈ 5 MeV/c2 m(top) = 175 000 MeV/c2 Leptonen: Leptonmassen:m(e-) = 0,5 MeV/c2 m(τ-) = 1777 MeV/c2 m(Neutrinos) ≈ 0 + 12 Anti-Teilchen (6 Antiquarks, 6 Antileptonen)

  33. Austauschteilchen der Wechselwirkungen (Bosonen): Elektromagn. WW:Wirkt nur auf Quarks und geladene Leptonen. Starke WW:Wirkt nur auf Quarks. Schwache WW:Wirkt auf alle Teilchen. Kann als einzige die Teilchensorte ändern.

  34. Methoden der heutigen Teilchenphysik Wir haben schon gesehen: Untersuchungen von kleinen Strukturen brauchen Wellen mit kleiner Wellenlänge = Teilchen mit großem Impuls/Energie. (  = h / p ) Ausserdem: Neue Teilchen sind häufig sehr schwer. (Masse(bottom-Quark) ≈ 6 x Masse(Proton), Masse(top-Quark) ≈ 180 x Masse(Proton) !)  Zur Erzeugung schwerer Teilchen ist viel Energie nötig.  Aufwändige Teilchenbeschleuniger notwendig!

  35. Linearbeschleuniger Einfachstes Prinzip: Schalte viele Beschleunigungs- strecken hintereinander.  Elektrisches Feld muss zur richtigen Zeit umgepolt werden. Linearbeschleuniger Sehr aufwändig: Beschleunigungsstrecke für 50 GeV Energie =5 Millionen hintereinandergeschaltete Fernsehapparate!

  36. Linearbeschleuniger

  37. Ringbeschleuniger • Magnetfeld zwingt Teilchen • auf Kreisbahn • Teilchen durchlaufen Beschleunigungs- • strecken bei jedem Umlauf erneut • Hohe Energien • Große Ringdurchmesser 1930 2000 100 Millionen mal höhere Energie 9 km 9 cm

  38. Forschungseinrichtungen Deutsches Elektronen- Synchrotron (DESY), Hamburg Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), USA Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN), Genf

  39. LEP-Beschleuniger am CERN in Genf: 27 km Umfang, Elektronen-Energie: ~ 100 GeV

  40. „Urknall“ im Labor • LEP-Beschleuniger (1989-2000) • („Large Electron Positron Collider“): • Elektronen und Positronen • werden beschleunigt und • zur Kollision gebracht. • Teilchen und Antiteilchen werden • vernichtet und es entsteht Energie. • (Photonenoder Z0-Teilchen) • Aus der Energie können neue • Teilchen entstehen. • Neue Teilchen können im Detektor • nachgewiesen werden. • LEP-Beschleuniger: • Energien zwischen 90 und 200 GeV • stehen zur Erzeugung neuer Teilchen • zur Verfügung.

  41. Teilchendetektoren Zum Beispiel: ALEPH-Detektoram LEP-Speicherring.

  42. Experimentierhalle in 140m Tiefe Eisen/Gas-Detektor

  43. Was entsteht aus der Energie? Ein Computerblick in den ALEPH-Detektor. Aus der Energie ist ein Elektron e- und ein Positron e+ entstanden Schnitt senkrecht zur Strahlachse Schnitt entlang der Strahlachse

  44. Eine andere Möglichkeit: Aus der Energie ist ein Myon - und ein Anti-Myon + entstanden

  45. Wo kommen die vielen Teilchen her ?? • Zwei Teilchenbündel • (Jets)sind entstanden Ursache ist die „Starke Wechselwirkung“ Aus der Energie sindQuarksentstanden.

  46. Die “starke Wechselwirkung” führt dazu, daß nicht nur • ein einzelnes Quark-Paar entsteht: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

  47. Die offenen Fragen • Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche • Massen? • Gibt es noch mehr elementare Teilchen? • Können die vier Grundkräfte aus einer • einzigen Kraft erklärt werden? • Wieso besteht unser Universum aus Materie • und nicht aus Antimaterie? • .... und noch vieles mehr ....

  48. Die offenen Fragen • Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche • Massen? • Gibt es noch mehr elementare Teilchen? • Können die vier Grundkräfte aus einer • einzigen Kraft erklärt werden? • Wieso besteht unser Universum aus Materie • und nicht aus Antimaterie? • .... und noch vieles mehr ....

  49. Herkunft der Massen • Vermutung: • Massen werden erzeugt durch • Wechselwirkung mit einem • Hintergrundfeld(„Higgs-Feld“). • Je stärker die Kopplung ans Higgs-Feld, • desto höher die Masse des Teilchens. • Zum Higgs-Feld existiert • eigenes Teilchen („Higgs-Teilchen“). Peter Higgs (an seiner zweiten Idee arbeitend)

  50. Der Higgsmechanismus Anschauliche Erklärung für den englischen Bildungsminister. Geschichte: Politisches Bankett in England. Viele Diplomaten und Presseleute driften ohne viel Wechselwirkung durch den Saal. Dann betritt Maggie Thatcher den Raum. Sie ist sehr klein, trotzdem versuchen alle Näherstehenden ihr so nahe wie möglich zu kommen. Dadurch bildet sich eine Traube und sie kann sich nur sehr langsam fortbewegen. Nachdem Maggie Thatcher den Raum wieder verlassen hat, breitet sich ein Gerücht von der Tür her durch den Saal aus. Die Weiter- gabe des Gerüchts erfolgt in einem kleinen Grüppchen mit ständig wechselnden Mitgliedern, das sich langsam durch den Raum bewegt. Physikalische Interpretation: Der leere Raum ist angefüllt mit Hintergrundfeld(„Higgs-Feld“). Das Maggie-Teilchenist eigentlich masselos. Es erhält aber große Masse durch Wechselwirkung mit demHiggs-Feld. Das Higgs-Feld kann auch mit sich selbst wechselwirken. Dabei entsteht ein neues Teilchen – das Higgs-Teilchen!

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