Auf den Spuren der Elementarteilchen

1. Auf den Spuren der Elementarteilchen • Beschleuniger und Detektoren • Z Produktion und Zerfall • Teilchenidentifikation • Zusammenhang mit Kosmologie Masterclasses, Dresden, 1.3.2010Michael Kobel

2. Teilchenphysik = Hochenergiephysik Forscher nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn mit steigender Energie E (Impuls p) der Projektile steigt • Fähigkeit, kleine Strukturen Dx zu erkennenDx Dp = ħ(Heisenberg) • Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen:E = mc2(Einstein)

3. Energie:1 ElektronVolt = 1eV1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 1.000.000 eV1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 1.000.000.000 eV Wiederholung: 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

4. >0,15µm Teilchenbeschleuniger als Mikroskope • Sehen = AbbildenWurfgeschoß (Projektil)  Zielobjekt  Nachweis (Detektor) • „Auflösungsvermögen“: Treffgenauigkeit << Größe der StrukturenProjektilgröße << Größe der Strukturen • Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV) , zum Beispiel:0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV 0,2 µm bei E = 1 eV

5. Unbekanntes Objekt in einer Höhle • Projektil: Basketbälle

6. Projektil: Tennisbälle

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

8. 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:

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

10. Bis 2000: e-e+ Vernichtung bei CERN Strahlenergie Ee= 40-100 GeV

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

12. Der Large Hadron Collider LHC Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen

13. Hier in Dresden: ATLAS Experiment, LHC • Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten 170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern • Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Größenvergleich

14. 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 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug

15. page 10 CERN visit - Introduction Bilder vom LHC

16. Ein Blick in den Tunnel • Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu • Strukturen und Abständen von 10-19 Metern • Massen auf der Teraskala (E = mc2 = 1TeV) • Entwicklung des Universums nach dem Urknall von 0,000.000.000.001 s bis 0,000.01 s

17. Animationen ATLAS (2,9 MB) CMS (68 MB) (externe Links durch Klicken aufs Bild) • Ziele: Suche nach Neuem: • Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?) • Supersymmetrie ( Dunkle Materie?) - nur 4% des Weltalls ist „normale“ Materie • zusätzliche Raumdimensionen http://atlas.ch/multimedia/downloads/ATLAS_Event.avi (55 MB)

18. Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09

19. Noch ein Elementarteilchen • 1914 Chadwick b-Zerfall: n  p + e- Þ Unerwartete Energieverteilung • Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino nElektrisch neutraler Partner des Elektrons • sehr leicht • schwach wechselwirkend (Fermi):999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung • ziemlich verbreitet im Universum366.000.000 Neutrinos / m3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m3

20. Zusammenfassung Bausteine • Fundamentale Bausteine der Materie: • Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark dzu Kernen oder Atomen gebunden • Neutrino n, ungebunden • 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 www.physicsmasterclasses.org/exercises/unischule/baust/bs_6fram_lv123.html(nur in internet explorer abspielbar)

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

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 im radioaktiven a-Zerfall  Heliumkerne

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 • Radioaktive Umwandlung („Zerfall“) des Neutrons Analog: „Zerfall“ des Myons µ  enn

27. mehrere Teilchen-Familien! primäres Teilchen trifft auf Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe p, He, ... p Atmosphäre p m n g p e m nm g e Entdeckt: 1937-1947wie e, nur 200x schwerer ne nm nm Fuji 3776 m

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

29. Zeit Eindeutige Vorhersagen • Ursache jeder Wechselwirkung:Erhaltung von Symmetrien • Ergibt eindeutiges Set von fundamentalen “Vertices” • Alle Prozesse sind Kombination solch fundamentaler Vertices • Nur Teilchen mit entsprechender Ladungnehmen an jeweiliger wechselwirkung teil • z.B. Beta”zerfall” des Neutrons • Anm: Pfeilrichtung  symbolisiert Antiteilchen Es läuft trotzdem in der Zeit nach rechts

30. ~ 0,000.000.001 ~0,000.000.01 0,511 105,7 1777 bzw. in Tonnen Die Massen der Elementarteilchen 1995: TeVatron, FNAL,ChicagoEntdeckung des Top QuarksMasse: 173 GeV ! ~ 0,000.000.05 Scientific American, 1997 Masse in MeV

31. p nW-e-ne Die Bedeutung der Teilchenmassen • Die Masse der Atome kommt • nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine • 99% aus Energie der Quarkbindung • Ändern von mu ,md oder me hätte • kaum Effekt auf Atommassen • kaum Effekt auf Materiedichte • riesigen Effekt auf Verhalten der Materie • Erniedrige mW auf die Hälfte • Sonne brennt viel zu schnell f. Evolution d. Lebens • Erniedrige md – me um 1 MeV/c2 • ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs: • keine Wasserstoff-Atome, n stabil • Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2 • Proton- und Deuteriumzerfall • Keine Sterne • nur neutrale Teilchen (n,g, n)

32. View at: www.youtube.com/watch?v=p5cPg62z8xsDownload: http://www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen Animation: Was wäre wenn… Kleinere W-Masse • Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, wie ihre Werte zustande kamen. • http://prola.aps.org/abstract/RMP/v68/i3/p951_1R.N. Cahn, „The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life“(1996) • http://arxiv.org/abs/hep-ph/9707380V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, „The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model“ (1997) • http://arxiv.org/abs/astro-ph/9909295v2C. Hogan, „Why the Universe is Just So“ (1999) • http://arxiv.org/abs/0712.2968v1Th Damour und J.F.Donoghue, „Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding“ (2007) Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse

33. 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

34. Z0 Zeit nn qq e+e- m+m- t+t- Z “Zerfälle“ • Das Z Teilchen ist nicht stabil • Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere Teilchen um e+ e- Z0 Z0

35. Z0 nn qq e+e- m+m- t+t- Zerfallskanäle • Löcher entsprechen „Zerfallskanälen“ • Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht vorhersagbarFür einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar • Entleerungsdauer absolute Größe der LöcherZerfallsdauerStärke der „Kopplungen“ an Teilchenpaare Ergebnis: „Schwache Wechselwirkung“ gar nicht so schwach! • Verhältnis der Austrittsmengen  Größenvergleich der LöcherVerhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten Größenvergleich der Kopplungen Aufgabe für heute nachmittag!

36. Ergebnisse hochaktuell • Veröffentlicht inPhysics Reports,Mai 2006

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

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

39. Detektorverhalten Mehr Durchschlagskraft für: - schwere Teilchen - schwächere Wechselwirkung

40. Zusammenfassung • Die unterschiedlichen Ladungenbewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen • Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren • Sowie die Bildung vonHadronjets aus Quarks Hadronen Pion Myon

41. Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets • e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e ¯ p 800 GeV

42. Zusammenhang Kosmologie - Teilchenphysik Teilchenbeschleuniger:Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV frühes Universum: Temperatur 1015 K  Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung alle Teilchen kollidieren unkontrolliert

43. Fortschritt der PhysikZurück zum Urknall Auf der Suche nach der „Weltformel“ heutige experimentelle Grenze

44. Schlussübersicht