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Michael Kobel (TU Dresden) 1.11.2006

Der Large Hadron Collider – internationaler Vorstoß in unbekanntes Neuland des Mikro- und des Makrokosmos. Michael Kobel (TU Dresden) 1.11.2006. Die Teilchen des Standardmodells. 12 Bausteine und ihre Antiteilchen

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Michael Kobel (TU Dresden) 1.11.2006

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Presentation Transcript

  1. Der Large Hadron Collider – internationaler Vorstoß in unbekanntes Neuland des Mikro- und des Makrokosmos Michael Kobel (TU Dresden)1.11.2006 Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  2. Die Teilchen des Standardmodells • 12 Bausteine und ihre Antiteilchen • 4 fundamentale Wechselwirkungen (WW)Gravitation, Elektromagnetismus, schwache, starke WW • Produzieren, binden und vernichten Teilchenmit Hilfe des Austauschs von Botenteilchen • Graviton, Photon, W- und Z-Boson, Gluonen Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  3. Theoretische Grundlagen • 3 Familien von Elementarteilchen • Stabile Materie (p, n, e) nur aus erster Familie • Warum dann drei ? • Alle Wechselwirkungen beruhen auf Ladungssymmetrien • Beispiel: Symmetrie derstarken „Farb“ladung im Neutron • Gluonen sorgen für Symmetrieund binden die Quarks • Warum diese Symmetrien ? • Weitere Symmetrien ? • z.B: Supersymmetrie „SUSY“ zwischen Baustein- und Botenteilchen? Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  4. Die Ruhemassen der Bausteine • Symmetrien erfordern masselose Teilchen • Erhalten Masse erst ~ 10-10 sec nach Urknall durch „spontane“ Symmetriebrechung • Entsteht Masse durch Kopplungan ein „Higgs“ Hintergrundfeld? • Was verursacht die riesigen Massenunterschiede ?„Sandkorn .vs. Ozeandampfer“; natürliche Top Masse? 3x105 2x1013 ? Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  5. K0 K0 (K0-K0)/(K0+K0) decaytime Materie-Antimaterie „CP“ Symmetrie • Antimaterie = Materie mit umgekehrten Ladungen (C) • Genau genommen: auch gespiegelt (P) • Teilchenphysik Experimente: • „CP“ Symmetrie fast immer perfekt • CP-Verletzung im Standardmodell • Quarks: klein, 1 Naturkonstante • 1964: s-Quarks 1999: b-Quarks • Bei Weitem nicht groß genug für Kosmologische CP Verletzung • Neutrinos: noch unbekannt, 1-3 Naturkonstanten • Sind sie der Schlüssel zur Kosmologischen CP Asymmetrie? • Immer nötig: Teilchenmassen und mind. 3 Familien(!) Ununter-scheidbar Materie und Antimaterie Unter-scheidbar! Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  6. Mit dem LHC zurück zum Urknall • Heißes Universum <-> typische Teilchenenergie Sonne: T = 107 K <-> E = 10-6 GeV LHC : T > 1016K <-> E > 10 3 GeV (>109 mal höher!) • Die „Ursuppe“: Nachstellen im TeilchenensembleALICE: Pb+Pb  Quark-Gluon „Plasma“? • Die „Petersilie“: Nachstellen in EinzelprozessenATLAS, CMS, LHCb: p+p  b, t, W, Higgs? SUSY? Theorien LHC(p+p) LHCPb+Pb gemesseneEinzelprozesse(2006) Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  7. Nobelpreis 2006: Mather & Smoot (COBE) • Schwankungen im Mikrowellenhintergrund T=(2,73+-0,00002)K • Entsprechen winzigen Dichteschwankungen  Strukturbildung COBE Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  8. Zeit Ursprung des Mikrowellenhintergrunds • Materie-Antimaterie Vernichtung in Photonen • Ungehinderte Ausbreitung erst nach 300,000 Jahren • Vor der Vernichtung bei ~100 sec:50,0000001% Materie, 49,9999999% Antimaterie • Ein winziger (10-9) Überschuss an Materie blieb übrig • Woher kam diese „CP“ Asymmetrie und Wann? Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  9. Der Klang des Universums • „Obertöne“ charakterisieren Zusammensetzung • atomare Materie (p,n,e)dämpft den ersten, verstärkt den zweiten Oberton • Sterne, Planeten, Gaswolken, Schwarze Löcher,… • nichtatomare „Dunkle“ Materie (n, …)verstärkt den zweiten Oberton • Ungebundene Elementarteilchen, schwach wechselwirkend • Unbekannt ( Neutrinos 10-100 Mal zu leicht! ) • unverdünnbare „Dunkle“ Energie nur im Grundton • Unbekannt, „Vakuumenergie“, kosmologische Konstante… WB = 0,05 WDM = 0,25 WVAC = 0,70 Flaches Universum: W = WB+ WDM + WVAC= 1,00 WMAP 2003 Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  10. ALICE kocht die Ursuppe • Untersuchung des Quark-Gluon Plasmas • Neuer Zustand von Materie: „flüssige(?)“ Quarks und Gluonen • Eis schmilzt bei 0 oC @ 270 K • Gebundene Quarks+Gluonen schmelzen bei 170 MeV = 2x1012K • Beschleunige und Kollidiere „Hadronen“-Eis, um „Quark-Gluon“-Wasser herzustellen(erreiche > 200.000 fache Sonneninnentemperatur) • ALICE wird Eigenschaften dieses neuen Materiezustand untersuchen(Zustandsgleichung, Brechungsindex, Suszeptibilität, Viskosität,Wärmeleitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit,…)  ideale Flüssigkeit? Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  11. dN/dp J/ = cc Masse Experimentelle Umsetzung • Normale Materie: schwere Quark-Antiquark Zustände B Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  12. J/ = cc dN/dp Masse 60 << 62 Experimentelle Umsetzung • Unterdrückung von schweren Quark-Antiquark Zuständen… …durch Schmelzen innerhalb des Plasmas • Pb-Pb Kollision: B Pro Kollision : Pb+Pb @ 5.5 TeV N = 40.000 Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  13. 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 makroskopische Massen • kaum Effekt auf WBim Universum • riesigen Effekt auf Verhalten der Materie • Erniedrige me auf 0.025 MeV/c2 • Leben: 30m große Kaltblütler in Grönland? • 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) Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  14. Die Frage nach dem Massenmechanismus • Entstanden Teilchenmassen wirklich erst nach 10-10 sec? • Entsteht Masse wirklich durch Kopplung an Hintergrundfeld? • Dann müssen Teilchen auch Hintergrundfeld anregenAnregung = Higgs Boson (=Beweis des Hintergrundfelds) • Higgs Boson Erzeugung am besten durch Z, W, t, oder bJe massiver (und hochenergetischer), umso besser • Bei mehreren (z.B. zwei) Higgsfeldernauch mehrere (z.B. fünf) Higgs Bosonen Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  15. Vorhersagekraft des Higgs Mechanismus • Ist die Higgs Hypothese überprüfbar? Ja! • Entdecke Higgs Boson(en) und Messe ihre Zerfälle • Lernen wir was Masse ist? Ja! • Die Stärke der Kopplung ans Higgsfeld • Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher? Nein! • Außer MW / MZ Verhältnisstimmt auf besser als 1%0 • Standardmodell Vorhersage:MW=(80.36 ± 0.02)GeV • Direkte Messung:MW=(80.40 ± 0.03)GeV • Differenz:D= (0.04 ± 0.04)GeV • Fit der SM Higgs Masse:MH= (100+40-30)GeV Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  16. Higgs Suche bei ATLAS und CMS • Higgs Masse unbekannt: • Viele Produktionsmechanismen • Viele mögliche Zerfälle • Nach 1-3 Jahrengut verstandenerDaten: • Higgs Bosonkann bei allen Massen entdecktwerden Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  17. W W NEUE PHYSIK W W Massenmechanismus ohne Higgs? • Standardmodell ohne Higgs verletzt „Wahrscheinlichkeit < 1“ • Higgs wird bei LHC gefunden, wenn es existiert! • Wenn nicht, muß der LHC etwas anderes finden! („win-win“) • Die Suche nach dem Ursprung der Masse wird in wenigen Jahren enden • Präzise Vermessung beginnt jedoch erst danach (LHC+ILC) • Dann erst haben wir die richtigen Fragen nach den Werten der Fermionmassen Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  18. CP Neue Quark-Antiquark Asymmetrie? • SM beschreibt CP Verletzung bei Quarks mit 1 Parameter:Sind alle Messungen damit verträglich? • Spezialisiertes Experiment für b-Quarks nahe Strahl: • Nach 1 Jahr „verstandener“ Daten:weiterhin verträglich oder neue CP Asymmetrie? Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  19. Supersymmetrie • Existieren Supersymmetrische Teilchen? • Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösen • Vereinigung aller Kräfte • Relativ niedrige Higgs Masse • Leichtestes SUSY Teilchen stabil= Dunkle Materie (ca 3000 /m3)? • Direkte Entdeckung möglich bei:ATLAS & CMS • Indirekter Nachweis über b-Zerfälle:LHCb Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  20. M~ TeV parton RS parton Zusätzliche Dimensionen • Warum ist die Gravitation so schwach? • Idee: zusätzliche kleineRaumdimensionen • Nur Gravitation spürt sie • „leckt“ in andere Dimensionen • Beobachtungsmöglichkeiten am LHC: • Verschwinden von Gravitonen (ATLAS, CMS) • Kleine Schwarze Löcher (ALICE, ATLAS, CMS) • Lebensdauer ca 10-26 sec (Hawking Strahlung) • Nachweis über Abstrahlung vieler Teilchen Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

  21. Schlussübersicht LHC LEP Geschichte der Physik Deutscher Journalistentag CERN, Michael Kobel

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