Ein Universum voller Teilchen Einführung in die Elementarteilchenphysik

1. Schülerforschungstage„Hands on Particle Physics“ Ein Universum voller TeilchenEinführung in die Elementarteilchenphysik Dr. Angela Fösel, Physikalisches Institut, Didaktik der Physik,FAU Erlangen • Unter Verwendung von Unterlagen von • Dr. Martin zur Nedden (HU Berlin) • Univ.-Prof. Dr. Leopold Mathelitsch (Universität Graz) • Dr. Nick Evans (University of Southampton) • Dr. Bill Murray (Rutherford Appleton Laboratory) • Prof. Dr. Michael Kobel (Universität Bonn) • Verena Klose (TU Dresden)

2. Gliederung • Motivation • Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen • Zusammenfassung und Ausblick

3. Motivation • Motivation • Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen • Zusammenfassung und Ausblick

4. Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen • Motivation • Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen • Zusammenfassung und Ausblick

5. Was ist da drin? Demokrit. Aus: http://freenet-homepage.de/chemie-hoenig/Endfassung/Referat.HTM (17.3.2007) Aristoteles. Aus: http://freenet-homepage.de/chemie-hoenig/Endfassung/Referat.HTM (17.3.2007) Die vier Elemente. Aus: www.wikipedia.de (17.3.2007) ElementaresmitSymmetrien.Platon (um 427 – 347 v. Chr.) et al. Woraus ist die Welt, woraus sind wir selbst gemacht? Gedanken der griechischen Philosophen: Demokrit (um 460-371 v. Chr.) et al.: Materie besteht aus unteilbaren, kleinen Bausteinen: átomos (άτομος) = unteilbar. Aber auch: Aristoteles (um 384-322 v. Chr.) et al.: Der Raum ist kontinuierlich mit Materie ausgefüllt.

6. 16 g Sauerstoff + 2 g Wasserstoff = 18 g Wasser bzw. 32 g Sauerstoff + 4 g Wasserstoff = 36 g Wasser 16 : 2, weil Masse(O) = 16  Masse(H) Die Materie ist „körnig“, aus Bausteinen aufgebaut! Empirische Hinweise auf atomare Struktur der Materie erst im 18. Jahrhundert: Elemente verbinden sich in immer gleichen Massenverhältnissen: Joseph-Louis Proust (französischer Chemiker, 1754-1826) et al.: Gesetz der konstanten Proportionen

7. Die Materie ist „körnig“, aus Bausteinen aufgebaut! • Die erste naturwissenschaftlich begründete Vorstellung von kleinsten Materieteilchen ist zu Beginn des 19. Jahrhunderts von John Dalton (englischer Naturforscher und Lehrer, 1766-1844) entwickelt worden . • Daltons Atomhypothese (1803): • Materie besteht aus kleinsten kugelförmigen Teilchen oder Atomen. • Diese Atome sind unteilbar und können weder geschaffen noch zerstört werden. • Alle Atome eines chemischen Elements sind untereinander gleich, sie unterscheiden sich nur in der Masse von Atomen anderer Elemente. • Diese Atome können chemische Bindungen eingehen und aus diesen auch wieder gelöst werden. • Das Teilchen einer Verbindung wird aus einer bestimmten, stets gleichen Anzahl von Atomen der Elemente gebildet, aus denen die Verbindung besteht.

8. Die Materie ist „körnig“, aus Bausteinen aufgebaut! „Temperatur“ und „Druck“ in Gasen lassen sich veranschaulichen durch bewegte Teilchen.

9. Elemente verbinden sich in immer gleichen Massenverhältnissen: 16 : 2, weil Masse(O) = 16  Masse(H) „Temperatur“ und „Druck“ in Gasen sind erklärbar durch bewegte Teilchen. Die Materie ist „körnig“, aus Bausteinen aufgebaut! Schlussfolgerungen sind indirekt. Kann man Teilchen sichtbar machen? Ja

10. Verschiedene Projektile enthüllen den Aufbau eines Objektes. Aus: http://www.weltderphysik.de/de/250.php (18.3.2007) Wie kann man kleine Teilchen „sehen“ ? – Das Prinzip einesStreuversuchs • Wollen wir herausfinden, was sich im Innersten der Materie abspielt, ob die kleinsten Bausteine unserer Welt womöglich aus noch kleineren zusammengesetzt sind, so lassen wir zwei Teilchen zusammenprallen und sehen uns an, was bei der Kollision passiert. • Je energiereicher die Projektile, desto mehr verraten sie über den Aufbau des Objekts: • Aus der Ablenkung der Bälle kann man auf die Form des Sacks schließen; die Pfeile lassen die Kugeln in seinem Inneren erkennen; die hochenergetischen Geschosse lassen die Kugeln zerplatzen und offenbaren so deren innere Struktur.

11. Ernest Rutherford. Aus: www.wikipedia.de (18.3.2007) Aufbau des Rutherfordschen Streuversuchs. Goldatome in einer Folie. Wie kann man kleine Teilchen „sehen“ ? – Der Streuversuch von Rutherford Ernest Rutherford (Neuseeländer, 1871-1937) untersucht die Struktur der Atome durch Streuversuche. Rutherford Applet.Aus: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/ (18.3.2007)

12. Rutherfords Atommodell 10-14 m 10-10 m Schematische Darstellung des Atoms. Nicht maßstäblich. Aus: www.wikipedia.de. (18.3.2007) Kern : Atom = 1 : 10 000  Das Atom ist leer ! Und das Atom ist nicht unteilbar! – Es besteht aus Elektronen und aus dem Kern. Und voraus bestehen die…?

13. 1/1.000 1/10 1/10 1/10.000.000 10-10 m Atom 0,01 m Kristall < 10-18 m Quark, 10-14 m Atomkern 10-9 m Molekül 10-15 m Proton Elektron > < Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen 1/10.000 Stecknadelkopf: 10-3 m =0,001 m Elektron, Quark: <10-18 m = 0,000000000000000001 m punktförmig?

14. Aber das ist nicht alles … • Das Elektron hat einen „Freund“, das Elektron-Neutrino νe. • (theoretisch vorhergesagt: 1931 – experimentell nachgewiesen: 1953) • Dieses Teilchen wird „gebraucht“, um Energie- und Impulserhaltung im so genannten β-Zerfall zu gewährleisten: • n → p + e + νe • „Steckbrief“: • keine elektrische Ladung, • (nahezu) masselos, • schwach wechselwirkend: 999 999 999 von 1 000 000 000 Neutrinos schaffen Erddurchquerung • Übrigens: Die Sonne ist eine riesige „Neutrino-Fabrik“! (→„schwacheWechselwirkung“)

15. Erste Generation elementarer Teilchen. German Hacker: http://www.physicsmasterclasses.org/exercises/erlangen/de/titelseite.html (18.3.2007) „Gewöhnliche“ Materie – 1. Generation elementarer Teilchen Atom Proton: uud Neutron: udd

16. Generationen elementarer Teilchen. German Hacker: http://www.physicsmasterclasses.org/exercises/erlangen/de/titelseite.html (18.3.2007) „Teilchengenerationen“ Warum drei Generationen?

17. Baryonen („Rot“ + „Grün“ + „Blau“ = „Weiß“) Proton: zwei „u“-Quarks (+2/3) und ein „d“-Quark (-1/3) Neutron: ein „u“-Quark (+2/3) und zwei „d“-Quarks (-1/3) „Bauplan“ für Hadronen → Baryonen und Mesonen Es existieren nur „farblose“ Kombinationen!!  Mesonen („Rot“ + „Anti-Rot“ = „Weiß“) „Anti-Rot“ = Cyan

18. Platon. „Elementares“. Aus: www.wikipedia.de (18.3.2007) Bausteine. Aus: www.badener-auktionshaus.de (18.3.2007) Die Struktur der Materie Die Materie ist ausBausteinenaufgebaut, die Vielfalt der Natur entsteht durchZusammensetzenvon Elementarem! Die kleinsten Teilchen sind winzig oder haben keine Ausdehnung, der Raum ist leer. Warum wirkt Materie – z.B. ein Tisch – dann massiv? Die Teilchen üben Kräfte aufeinander aus! Frage: Was sind die Kräfte, die die Welt im Innersten zusammenhalten?

19. n n n n n n n n n p p p p p p p p p p p Die fundamentalen Kräfte in der Natur Gravitation elektromagnetische Kraft starke Kraft schwache Kraft

20. Die fundamentalen Kräfte in der Natur Gravitation Gravitative Wechselwirkung - die Wechselwirkung zwischen Massen: Sie hält unsere Füße auf dem Boden und die Planeten auf ihren Bahnen.

21. Die fundamentalen Kräfte in der Natur elektromagnetische Kraft Elektromagnetische Wechselwirkung - die Wechselwirkung zwischen ruhenden und bewegten Ladungsträgern: Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atomkernen ist für alle bekannten chemischen und physikalischen Eigenschaften gewöhnlicher Festkörper, Flüssigkeiten und Gase zuständig.

22. n n n n n n n n n p p p p p p p p p p p Die fundamentalen Kräfte in der Natur starke Kraft Starke Wechselwirkung - die Wechselwirkung zwischen Kernbausteinen: Sie hält Protonen und Neutronen im Atomkern zusammen und hat eine „Reichweite“ von nur etwa 10-15 m, so dass sie im alltäglichen Leben und selbst im Bereich eines Atoms (10-10 m) völlig untergeht.

23. Die fundamentalen Kräfte in der Natur schwache Kraft Schwache Wechselwirkung: Sie hat eine so kurze „Reichweite“ (10-17 m) und ist so schwach, dass sie wohl kaum irgendetwas zusammenhalten kann. Schwache Wechselwirkungen bilden den ersten Schritt der nuklearen Reaktionskette im Inneren der Sonne, bei der zwei Protonen verschmelzen, so dass ein Deuteriumkern, ein Positron und ein Neutrino entstehen.

24. elektromagnetische WW starke WW schwache WW gravitative WW AbstoßendAnziehend Prinzip von Kraftwirkungen Quantenfeldtheorie: WW zwischen Elementarteilchen erfolgt als Austausch von Elementarteilchen (Botenteilchen)!

25. Einschub: Eine „neue“ Einheit für die Energie 1 ElektronVolt = 1 eV1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 1.000.000 eV 1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 1.000.000.000 eV 1 GeV ist „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig:1 GeV könnte eine Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen!

26. eines der drei Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung elektrisch neutral kann zerfallen in: Neutrino-Antineutrino-Paare Quark-Antiquark-Paare Elektron-Positron-Paare, μ+μ- -Paare, τ+τ- -Paare unbekannte Teilchen? (leichter als die halbe Z°-Masse) ? Das Z°-Boson

27. Heisenberg'sche Unschärferelation: ∆E x ∆t ≥ h/2π Jedes instabile Teilchen hat eine Energieunschärfe, die sich als Massenunschärfe bemerkbar macht. Beispiel: W-Boson Punkte: Daten farbige Flächen: theoretische Modelle Was ist eine „Zerfallsbreite“? Masse Breite

28. Z°-Boson: Zerfallsbreite: 2.5 GeV Lebensdauer: 10-25 s Analogie Wassereimer: Je mehr Löcher der Eimer hat, desto schneller ist er leer. Je größer ein Loch ist, desto mehr Wasser fließt dadurch hinaus. Die Löcher entsprechen Zerfallskanälen. Zerfallsbreite Neues? ? Die Zerfälle des Z°-Bosons

29. Zusammenfassung und Ausblick Systematik  Symmetrien Warum 3? 3 Familien von Quarks und Leptonen + Botenteilchen , W, Z0, 8 Gluonen, Graviton

30. Zusammenfassung und Ausblick Die Teilchen in den drei Familien unterscheiden sich nur in ihrer Masse. Schöne Symmetrie, wenn alle Teilchen keine Masse hätten. Warum haben die Teilchen Masse? Antwort der Theoretiker: Das Higgs-Teilchen „gibt“ allen Teilchen Masse. Wie kann man das verstehen???? Das Higgs-Teilchen muss erst noch gefunden werden … .

31. Dankeschön fürs Zuhören!