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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, 8.10.2001 Michael Kobel. Was sind eigentlich Myonen ?

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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)

  3. 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

  4. Auge plus Lupe: ~1/10 mm10 fach vergrößert • 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 ?

  5. 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

  6. 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

  7. Unbekanntes Objekt in einer Höhle • Projektil: Basketbälle

  8. Projektil: Tennisbälle

  9. Projektil: Murmeln ...Nichts wie weg !

  10. 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

  11. >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

  12. 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) • ...

  13. 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

  14. 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:

  15. Funktionsprinzip:Simulation • Linearbeschleuniger: • Fermilab, Chicago (in Betrieb) • DESY, Hamburg (in Planung) Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger • Haben Sie auch daheim!

  16. Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 Elektronische Bilder

  17. Ab 2006: ATLAS Experiment, CERN 170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern Größenvergleich

  18. Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Teilchenidentifikation = Detektivarbeit

  19. Direkter Nachweis von Quarks im Proton • e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e ¯ p 800 GeV

  20. Zusammenfassung Bausteine • 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 ?

  21. n n n n n n n n n p p p p p p p 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

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

  23. Mehr wissen wir (noch) nicht 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

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

  25. Die starke Kraft • 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)

  26. Die schwache Kraft • 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

  27. Das Neutrino „Geisterteilchen“ • 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

  28. 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 (Energie) vernichten

  29. Teilchen-Antiteilchen Vernichtung bei CERN

  30. Zusammenfassung „Kräfte“ • Die unterschiedlichen Ladungenbewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen • Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren • Sowie die Bildung vonTeilchenjets aus Quarks

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

  32. Zusammenhang Teilchenphysik - Kosmologie Teilchenkollision bei hohen Energien heißes Universum gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung alle Teilchen haben hohe Energie (Temperatur) und kollidieren unkontrolliert

  33. Rückblick zum Urknall im Bereich von Theorien durch Experimente gesichert

  34. Schlussübersicht

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