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HighHeels@HighEnd Wien , 13. Okt . 2011

WIMPS, MACHOS, CHARM und STRINGS. Claudia-Elisabeth Wulz I nstitut für Hochenergiephysik der ÖAW c/o CERN, Genf. HighHeels@HighEnd Wien , 13. Okt . 2011. Vorstellung. Teilchenphysikerin am CERN bei Genf

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HighHeels@HighEnd Wien , 13. Okt . 2011

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Presentation Transcript

  1. WIMPS, MACHOS, CHARM und STRINGS Claudia-Elisabeth Wulz InstitutfürHochenergiephysikder ÖAW c/o CERN, Genf HighHeels@HighEnd Wien,13. Okt. 2011

  2. Vorstellung • Teilchenphysikerin • am CERNbeiGenf • angestelltbeimInstitutfürHochenergiephysikderÖsterreichischenAkademiederWissenschaften • Dozentin an derTechnischenUniversität Wien C.-E. Wulz 2

  3. Wie und wannist das Universumentstanden? Wiewirdessichweiterentwickeln? Worausbestehtes? WelcheKräftewirkenzwischenseinenBestandteilen? ZusammenhangzwischenTeilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie -> ASTROTEILCHENPHYSIK

  4. EinigekonkreteoffeneFragen • Warum hat das UniversumSubstanz? -> Higgs-Teilchen • Worausbesteht das Universum? -> Wirkennennur 4% (Quarks, Leptonen), Rest istdunkleMaterie und dunkleEnergie. • Wie muss das StandardmodellderTeilchenphysikerweitertwerden? -> Supersymmetrie, Stringtheorie? • GibteszusätzlicheRaumdimensionen? -> Gravitation • KönnenalleKräftevereintwerden -> gibteseine “Weltformel”? HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  5. Anlagen zurBeantwortungdieserFragen Teilchenbeschleuniger z.B. LHC, RHIC, KEK-B Undergrundlaboratorien und -experimente z.B. Gran Sasso, Kamiokande, IceCube Gran Sasso ExperimentemitkosmischenStrahlen z.B.Auger Auger LHC Experimente an KernreaktorenodermitradioaktivenQuellen z.B.KamLAND, Double-CHOOZ, Katrin, Atominstitut Very Large Telescope (VLT) Hubble KamLAND TerrestrischeTeleskope z.B. ALMA, VLT Raumsonden z.B. FERMI, Hubble, Planck

  6. BausteinederMaterie Protonen Neutronen Elektronen Die bekannteMateriebestehtaus ATOMEN AtomebestehenausProtonen, Neutronen und Elektronen Protonen und NeutronenbestehenausQuarks Protonen und Neutronengehörenzu den Hadronen

  7. BausteinefürallesBekanntez.B. Menschen, Planeten, … Quarks Lepton up Elektron down uud= Proton udd= Neutron HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  8. Vor13.7 MilliardenJahren gab esmehrTeilchenimUniversumalsjetzt … Quarks Leptonen up charm Elektron top Müon Tau strange down Elektron-Neutrino Müon-Neutrino Tau-Neutrino bottom In einemBeschleunigerwiedem LHC können all dieseTeilchenneuerzeugtwerden. HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  9. Antiproton Proton Tevatron AbgeschaltetEnde Sep. 2011, Entdeckung des Top-Quarks 1995 C.-E. Wulz 9 HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  10. Entdeckung des Charm-Quarks Samuel Ting, Brookhaven, NY Burton Richter _ 1976 J/psi(cc) Mark-II Detektor Stanford, Kalifornien C.-E. Wulz 10 HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  11. Quarks Kräfte Standardmodell Leptonen HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  12. Die fundamentalenKräfte

  13. Erzeugung von Masse durch Higgs-Mechanismus • Ohne Higgs-Mechanismus wären alle Teilchen des Standardmodellsmasselos. • Masse entsteht erst durch die Wechselwirkung mit einem (hypothetischen)Higgs-Feld. • Das gesamte Universum ist von diesem Higgs-Felddurchdrungen. • „Schwingungen“ in diesem Higgs-Feld erscheinen alsHiggs-Teilchen, dessen Nachweis am LHC / CERN gelingen soll. Die Masse des Higgs-Teilchens ist a priori nicht bekannt, aber alles deutet darauf hin, dass es relativ leicht ist. • Eine eventuelle Nichtexistenz des Higgs-Teilchen kann vermutlich noch heuer bestätigt werden. • Eine gesicherte Entdeckung sollte 2012/2013 möglich sein.

  14. LHC und die Experimente C.-E. Wulz 14 HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  15. CMS-Experiment HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  16. H -> eemm candidate

  17. (Prof. Peter) Higgs im ATLAS-Experiment HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  18. DunkleMaterie EinVergleichderRotationsgeschwindigkeiten von SternennahedemZentrum von Spiralgalaxien und weiteraußenliegendenSternenergibt, daß die Geschwindigkeitenweiteraußennichtmit den GesetzenderMechanikkompatibelsind. AuchmüsstenaufgrundderhohenTemperaturviele Sterne auseinander fallen, wennnichtzu-sätzlichzursichtbaren Masse noch Masse ausdunklerMaterievorhan-den wäre. Fritz Zwicky Vera Rubin HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  19. ErsterdirekterNachweisderdunklenMaterie Die normaleMaterie (rot) wirdabgebremst, während die dunkleMaterie (blau, sichtbargemacht) sichungehindertweiterbewegt. KollisionderzweiGalaxienim Bullet Cluster (2006) HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  20. Was ist die dunkleMaterie ? WIMPS (weakly interacting massive particles, MACHOS (massive astrophysical compact halo objects), … ? SupersymmetriesagteinTeilchenvoraus, das ein WIMP seinkönnte: das leichtesteNeutralino MACHOS sindastronomischeObjekteausnormaler (baryonischer) Materiewie: Braune und weißeZwerge(z.B. Supernovae Ia) Neutronensterne(Kollapsnach Supernova-Explosion) SchwarzeLöcher … Verbindung von Astrophysik und Teilchenphysik! HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  21. Suchenach WIMPS SuchenachNeutralinos (ATLAS, CMS am LHC) Streuung von WIMPS an Atomkernen (Experimente Edelweiss, CDMS, DAMA, …) Neutrinos sindnachheutigemWissennichtBestandteilderdunklenMaterie, obwohlsienichtmasselossind. ATLAS Germanium-Detektor

  22. niedrig Beschleunigte Ausdehnung Supernova 1987A Relative Lichtintensität Gebremste Ausdehnung hoch Relative Entfernung nahe entfernt EntdeckungderdunklenEnergie (1998) Saul Perlmutter, Brian Schmidt, Adam Riess 2011 Rotverschiebung Spektrallinien der Sonne Spektrallinien einer entfernten Galaxie Beobachtungen von Supernovae ergaben, daßeinemysteriöse Kraft -dunkleEnergie - das Universumimmerschnellerauseinandertreibt!

  23. Entwicklung des Universums ENDKNALL KONSTANTE DUNKLE ENERGIE GRÖSZE DES UNIVERSUMS KOLLAPS URKNALL HEUTE (13,7 MilliardenJahre) ZUKUNFT ZEIT HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  24. Quantentheorie Die Teilchenphysikfolgt den GesetzenderQuantentheorie. KlassischesBild: Elektronenbewegensich auf festenBahnen um den Atomkern QuantentheoretischesBild: ElektronenhabenbestimmteAufenthaltswahrscheinlichkeiten Jedoch: Die Gravitation passtnicht in die quantenmechanische Welt!

  25. Stringtheorie Die StringtheorievereintalleTeilchen und alleKräfte (auch die Gravitation) in einemeinzigenObjekttyp, demString. WieSaitenkönnen Strings verschiedenvibrieren. Elektron Up-Quark Higgs Photon Graviton KurznachdemUrknall war die Materie auf kleinstemRaumvereint und die Kräftewarenallegleich. Stringtheorieistnötig, wennwirwissenwollen, was bei ca. 10-42snachdemUrknallgeschah.

  26. Seiltänzer: 1 Dimension Ameise: 2 Dimensionen Extradimensionen Unser bekanntesUniversum: 3 Raumdimensionen + 1 Zeitdimension Stringtheorie: mindestens 9 + 1 Dimensionen 2. Dimension: aufgerollt

  27. Gravitation unser 3+1-dimensionales Universum Gravitation Extra-Dimension Gravitation und Extradimensionen • Gravitation scheint 10-38 mal so schwachimVergleichzurstarkenWechselwirkung -> schwervereinbarmitanderenKräften! • MöglichesModell: • BekannteTeilchenlebenim 3+1-dimensionalen Universum (Brane) • Gravitation lebt in einemhöherdimensionalenUniversum (Bulk) • Extra-Dimensionensindaufgerolltmit Radius R

  28. SchwarzeLöcher Wenn die Gravitation beikleinenDistanzen stark wird, kannder LHC auch (Mini-) SchwarzeLöcher (Ø 10-18m) produzieren! SiesolltenjedochdurchquantenmechanischeEffektesehrschnell (~10-35s) verdampfen (Hawking-Strahlung), unterErzeugungallermöglichenStandardmodellteilchen. BisherwurdenjedochkeineSchwarzenLöchergefunden. HighHeels@HighEnd,Okt. 2011

  29. Zusammenfassung In den letztenJahrzehntenwurde das VerständnisderPhysikentscheidendverbessert. Jedoch …. vieleAntworten auf fundamentaleFragenfehlennoch! Teilchenphysik, Astrophysik und KosmologiemüssengemeinsamzuihrerBeantwortungbeitragen. Der Large Hadron CollideristeinwichtigesWerkzeug. Die “Entdeckungsphase” hat bereitsbegonnen. C.-E. Wulz 29

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