An der Grenze des Stofflichen

1. Vortrag zur Ausstellung “Elementarteilchenphysik” imBRG 10 An der Grenze des Stofflichen H. Eberl Institut für Hochenergiephysik der ÖAW Nikolsdorfer Gasse 18, 1050 Wien

2. Quantenfeldthorie Meine wissenschaftliche Tätigkeit • Wo bin ich angestellt? am Hephy (Institutfür Hochenergiephysik) • Was mache ich dort? Ich bin theoretischer Physiker und arbeite auf dem Gebiet derSupersymmetrie • Welche “Werkzeuge” brauche ich? • Höhere Mathematik • Physik: Spezielle Relativitätstheorie, Quantenmechanik , Symmetrien

3. Institut für Hochenergiephysikder Österreichischen Akademie der Wissenschaften1050 Wien, Nikolsdorfer Gasse 18 • Hochenergiephysik = (Elementar) Teilchenphysik • Gegründet: 1966 • Experimentelle Hauptaufgaben: • • Teilnahme an Experimenten der Teilchenphysik am • Europ. Forschungszentrum CERN in Genf • • derzeit auch an einem Experiment im Forschungslab KEK in • Japan beteiligt

4. 23 Experimentalphysiker Th Techn 4 Theoretische Physiker EDV 13 Techniker Mech Ex Ad 4 EDV-Spezialisten 4 Mechaniker 3 Administration Mitarbeiter Experimentalphysiker: 19 unbefristet 4 befristet Theoretische Physiker: 3 unbefristet 1 befristet

5. Projekte Experimente: CMS NA48 BELLE Konferenzen Ausstellungen Theorie/ Phänomenologie Fachbereiche: Halbleiterdetektoren Algorithmen und Softwareentwicklung Physikalische Datenanalyse Elektronik I Elektronik II Rechentechnik Werkstatt

6. Theorie/Phänomenologie

7. Mitarbeiter • Walter Majerotto • Helmut Eberl • Wolfgang Lucha • Christian Weber – Doktorand, befristet angestellt Karol Kovarik- Doktorand Wilhelm Öller– Doktorand Goran Milovanovic - Diplomand Bernhard Schraußer– Diplomand Georg Sulyok– Diplomand

8. Arbeitsgebiete Supersymmetrie (SUSY) H. Eberl, K. Kovarik, G. Milovanovic, W. Majerotto, W. Öller, B. Schraußer, Georg Sulyok, C. Weber Bindungszustände von Quarks, Endliche Quantenfeldtheorien W. Lucha (Organisator von Austellungen)

9. Theorie - Experiment • In der Theorie werden unterschiedliche mögliche • Modelle studiert und damit Vorhersagen getroffen. Experimente vergleichen diese Vorhersagen mit gemessenen Größen und finden somit heraus, welches Modell die Realität am besten beschreibt. Um nun im Mikrokosmos etwas “sehen” zu können, brauchen wir einen Apparat zum Vergrößern.

10. Mikroskop - Beschleuniger Da bietet sich vor allem das Mikroskop an. Der mögliche Vergrößerungsfaktor x hängt nun vom Auflösungsvermögen ab, in einfachen Worten: Bis zu welchem kleinen x kann man zwei Punkte noch als getrennte Objekte erkennen? Das hängt von der Wellenlänge des verwendeten Untersuchungsstrahles (klassisch: Licht) ab. Je kleiner seine Wellenlänge, desto hochenergetischer wird der Untersuchungs-strahl (Planck: Eg = h c/l) und desto tiefer dringt man in den Mikro-kosmos vor. Welle-Teilchen Dualismus: Elementarteilchen sind zugleich Welle und Teilchen! De Broglie, 1924, Elektron: l = h/p ~ h/(2 me e U)1/2 ~ 12.3 /(U/Volt)1/2U -Beschleunigungsspannung

11. LEP ~ 10-16 m = 0.000 000 000 000 000 1 m! LEP ist seit 2002 nicht mehr im Betrieb. Lichtmikroskop – x bis ca. 1000 fach ~ mm = 10-6 m Elektronenmikroskop – x in Praxis bis ca. 1000 000 fach ~ nm = 10-9 m Beschleuniger: Energie so hoch, daß neue Teilchen erzeugt werden können (Einstein: E = m c2) LHC (large hadron collider) ~ 10-18 m Proton-Proton Kollisionen Der LHC ist derzeit noch im Bau, Fertigstellung 2007(?) LHC und LEP gehören zu den sogenannten Ringbeschleunigern. LHC wird anstatt LEP in den LEP-Tunnel eingebaut. Der Tunnel ist ringförmig, hat einen Umfang von 27 km, und befindet sich im CERN/Genf.

13. Prinzip eines Kreisbeschleunigers

15. Moderne Experimente Das CMS-Experiment

16. Moderne Experimente Das CMS-Experiment Endcaps der Driftkammer Endcaps des Kalorimeters Stand Juni 2004

17. Kräfte Teilchen Spin 1 Spin 1/2 Bosonen Fermionen Photon, W- und Z-Bosonen, Gluonen, Gravitonen (?) Welle-Teilchen Dualismus: Teilchen Kraft – Feld bilden Materie = Stofflichkeit =Wechselwirkung elektromagnetische, schwache, starke Kraft, Gravitation spin = Eigendrehimpuls

18. Symmetrien-Erhaltungssätze

19. Das Symmetrieprinzip: Bestimmte Transformationen müssen die Form der Naturgesetze unverändert lassen. Auch bei Spiegelung und Farbänderung bleibt die Monroe immer die Monroe

20. Symmetrieeigenschaft • Symmetrie-transformation • Erhaltungsgröße • Homogener Raum • x’ = x + x0 • Impuls • Homogene Zeit • t’ = t + t0 • Energie • Isotropie des Raumes • Drehung • Drehimpuls • Austausch identischer Teilchen • Permutation • Bose-Einstein oder • Fermi-Dirac Statistik • Absolut rechts (links) • x’ = - x • Parität Emmy Noether 1918: Jede Symmetrieeigenschaft hat einen Erhaltungssatz zur Folge! Einige Beispiele:

21. p + e- + ne n Neutron zerfällt in ein Proton + Elektron + Antielektronneutrino Ein konkretes Beispiele: Neutronzerfall Energieerhaltung:mn > mp + me 1.00867 > 1.00727 + 0.00055 Impuls- und Drehimpulserhaltung (führte zur Entdeckung des Elektronneutrinos) Erhaltung der elektrischen Ladung: 0 = +1 – 1 + 0 Erhaltung der Baryonzahl: +1 = +1 + 0 + 0 Erhaltung der Leptonzahl: 0 = 0 + 1 - 1

22. Symmetriebrechung In der Natur sind Symmetrien selten streng erfüllt. Erst daraus folgt deren Schönheit! Beispiele: Teilchen-Antiteilchen Asymmetrie Supersymmetrie muß gebrochen sein. Isospin ist bei schwacher Kraft gebrochen, … Higgseffekt – spontane Symmetriebrechung Teilchen erhalten dadurch erst Masse!

23. Teilchenphysik und Kosmologie t = 105 y t = 3 min t = 10-10 s t = 10-35 s t = 0 s Urknall: Alle vier Grundkräfte (Gravitation, elektromagnetische, schwache und starke Kraft) sind bei der sog. Planck-Energie (1019 GeV) vereinheitlicht Elektroschwache Symmetriebrechung bei 102 GeV: Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung entstehen Leichte Atomkerne entstehen bei 0.1 MeV Atome, die Bausteine der Materie, entstehen erst nach ca. 100.000 Jahren Die starke Kraft spaltet sich bei 1016 GeV ab

24. t ne nm nt Wechselwirkungen u c stark g Starke Kraft g Elektromagn. Kraft d u d u d u d s b m t e Schwache Kraft W, Z ? Schwerkraft schwach Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) Das moderne Bild- das „Standardmodell“ Fermionen (Spin ½) Leptonen Quarks Ladung 0 +2/3 -1 -1/3 +1 0 Proton Neutron Baryonen

25. t ne nm nt u c g Starke Kraft b t c s u d d s b m t e Schwache Kraft W, Z ? Schwerkraft Das moderne Bild- das „Standardmodell“ Anti-Teilchen Wechselwirkungen stark Leptonen Quarks Ladung g -2/3 nt ne nm Elektromagn. Kraft 0 +1 +1/3 t m e schwach Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)

26. Das Standardmodell Das Higgs-Boson Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber … Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Dennoch wurde das Standardmodell in vielen Präzisionsmessungen hervorragend bestätigt. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik.

27. Supersymmetrie Der Weg zur allumfassenden Theorie? • Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grund-prinzipien der Natur manifestieren. Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das sog.Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten.

28. SUSY Teilchenspektrum. Grün: bekannte Teilchen des Standardmodells. Rot: gesuchte neue Teilchen. SUSY - die wahre Liebe der Teilchenphysiker? Bosonen Fermionen In einer supersymmetrischen Theorie treten Fermionen und Bosonen immer paarweise auf. Wenn die Natur wirklich supersymmetrisch ist, muß es daher zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchen ein supersymmetrisches Partnerteilchen geben.

29. SUSY-Teilchen im Experiment SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Rechts sieht man die schematische Darstellung von Produktion und Zerfall von SUSY Teilchen am LHC. Rechts daneben die Simulation der entsprechenden Signatur für den CMS Detektor. Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am Tevatron in den USA, am LHC im CERN und am geplanten e+ e- Linear Collider.

30. Virtuelle Welt Wo ist nun die Grenze des Stofflichen? Infolge der Heisenberg’schen Unschärferelation laufen in einer kurzen Zeitspanne Dt Prozesse ab, die Energie- und Impulssatz verletzen. Es bilden sich sogenannte loops. Je mehr “Ordnungen” von loops man in einer Rechnung einbezieht, desto mehr erfährt man vom “Ganzen”. 1/(1 – x) = 1 + x + x2 + x3 + … Ein Beispiel: Bei LEP wurde aus der genauen Messung der Lebensdauer des Z-Bosons die Masse des top-quarks erfolgreich vorhergesagt!

31. Tree-level Graphen: One-loop level O(hf2) Selbstenergien: Sfermion-Produktion mit einem e+ e- Collider(einige Feynman Graphen)

32. One-loop level O(hf2) Vertex Graphen:

33. Die „neue“ Physik Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik (die zur Zeit experimentell untersucht werden) • • Wie bekommen die Teilchen eine Masse? • (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen?) • Warum sind diese Massen so unterschiedlich? • • Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie (SUSY)  ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen. • Welcher Natur sind die ‘DunkleMaterie’ und ‘DunkleEnergie’ des Universums? • • Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? • • Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse? • • Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich der Gravitation? • • Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …)

34. Teilchenphysik und Kosmologie • Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik: • Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie? • Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie? Woher kommt die Dunkle Energie?  Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik des ganz Kleinen geben – die Elementarteilchenphysik

35. Teilchenphysik und Kosmologie Es sind noch lange nicht alle Rätsel des Universums gelöst… Ende