Hands on Particle Physics Masterclass

Präsentation zum Thema: "Hands on Particle Physics Masterclass"—  Präsentation transkript:

1 Hands on Particle Physics Masterclass
Oliver Grünberg 1

2 Fahrplan Einführungsvortrag (45 Min.) Diskussion & Pause (20 Min.)
Einführung in die Messungen (30 Min.) Datenauswertung & Pause (75 Min.) Ergebnisanalyse & Diskussion (15 Min.) Abschlussquiz (20 Min.) Vorstellung des Netzwerkes Teilchenwelt (10 Min.) 2

3 Einführung in die Teilchenphysik
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4 Wozu Teilchenphysik? Klärung der Grundfragen der Physik
Welche elementaren Teilchen gibt es ? Welche Kräfte gibt es ? Wie entstand unser Universums ? Gibt es eine Weltformel ? 4

5 Von groß nach klein …. und weiter ? Auflösung bis ca. 1mm
Auge Auflösung bis ca. 1µm = 0,001mm Lichtmikroskop …. und weiter ? 5

6 Wie sehen wir Strukturen?
Sehen = Abbilden ! Wir sehen nur ein Abbild des Objekts Photonen „tasten“ Oberfläche des Objekts ab Genauigkeit des Abbilds ist begrenzt durch Eigenschaften der „Lichtquelle“ und des Detektors Objekt Lichtquelle Detektor 6

7 Auflösung von Strukturen
Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten Keine Auflösung der Punkte/Lücke falls „Photonen > Struktur“ Detektor 1. 2. 3. 7

8 Auflösung von Strukturen
Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten Kleine Strukturen  „kleine“ Photonen Größe der Lichtteilchen gegeben durch Wellenlänge λ Sichtbares Licht: λ= 400 – 800 nm Auflösung für Auge somit stark begrenzt! 1. 2. 3. Detektor 8

9 Neue Wege zur Untersuchung
Benutze anderes Teilchen als Photon Quantenphysik sagt uns: h – Planckkonstante p – Impuls des Teilchens: p=m∙v Folgerung: Teilchen mit hohem Impuls haben kleine Wellenlänge: Nutze schnelle Elektronen statt Photonen Elektronenmikroskop 9

10 Virus   Silizium kristalle 10

11 Streuversuche 11

12 Entdeckung der Atomstruktur
Rutherford Streuexperiment (1910) + Elektron + Atomkern 12

13 Entdeckung der Quarks Beschuss von Protonen mit schnellen Elektronen
Streuung der Elektronen an Quarks Detektor 13

14 Grundlagen 1803: Elemente bestehen aus unteilbaren Einheiten (Atomen)
1897: Entdeckung des Elektrons 1910: Atome haben Kern und Schale 1935: Kern besteht aus Protonen & Neutronen 1960er: Protonen & Neutronen bestehen aus Quarks 14

15 Bekannte Materieteilchen
Bekannte Materie besteht aus Teilchen der 1. Familie Je höher die Familie desto schwerer die Teilchen 2. und 3. Familie nur kurz nach dem Urknall vorhanden 15

16 Bewegungsgesetze Wir wissen jetzt woraus Materie besteht, aber wie verhält sie sich? Bsp: Gravitation - Flugkurve beim Kugelstoßen Newtonsche Mechanik: 16

17 Bewegungsgesetze Kräfte sind die Ursache für Bewegungen (Dynamik)
Es gibt 4 bekannte Kräfte im Universum Gravitation, Elektromagn., starke Kraft, schwache Kraft Ab 1925: Quantenmechanik (Atome, Moleküle) Ab 1928: Quantenfeldtheorie für schnelle Teilchen (Teilchenbeschleuniger) 17

18 Kräfte und Ladungen Zu jeder Kraft gehört eine Ladung
Teilchen tragen Ladungen Kräfte koppeln an die Ladung eines Teilchens (Bsp. F=m∙g  Gravitation ~ Masse) Kräfte können abstoßend oder anziehend sein Kraftwirkung = Übertragung von Energie und Impuls durch Kraftteilchen Photon 18 Elektron Elektron

19 Ladungen von Teilchen 4 fundamentale Wechselwirkungen
4 fundamentale Ladungen: 1. Farbladung  Starke Wechselwirkung 2. Elektr. Ladung  Elektromagnetismus 3. Schw. Ladung  Schwache Wechselwirkung 4. Energie, Masse  Gravitationskraft Summe der Ladungen bleibt erhalten Ladungen eines Teilchens beeinflussen sich nicht gegenseitig 19

20 Bsp.: die 3 Gesichter eines Quarks
Photon (el. Ladung) Gluon (Farbe) Quark F=R,G,B Q= ± 1/3, ±2/3 T=1/2,0 W,Z (Schwache Ladung) 20

21 Die elektromagnetische Kraft
Eigenschaften Ladung: elektrische Ladung Q Kraftteilchen: Photon Empfänger: Quarks, Elektronen, Protonen Reichweite: , Stärke: Beispiele: Laser, Radiowellen, Röntgenbilder, chemische Bindungen 21

22 Die starke Kraft Eigenschaften
Ladung: 3 Farbladungen - rot, grün, blau Kraftteilchen: Gluon Empfänger: Gluon, Quark, Proton, Neutron Reichweite: Stärke: Beispiele: stabile Atomkerne, Quarkbindung zu Proton: Pion: 22 22

23 Die schwache Kraft Eigenschaften
Ladung: schwache Ladung (T = 1/2,0) Kraftteilchen: W±, Z0 Empfänger: Quarks, Leptonen Reichweite: Stärke: Beispiele: Beta-Zerfall von Neutron und Proton 23

24 Die Gravitation Ladung: Energie, Masse Kraftteilchen: Graviton(?)
Stärke: Reichweite: Beispiele: Erdanziehung, Planetensysteme, Schwarze Löcher 24

25 Zusammenfassung Kräfte
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26 Feynman-Diagramme (Sheldon zeigt Penny Feynman-Diagramme des Top-Quarks Zerfalls)

27 Streuung Elektromagn. WW.
Feynman-Diagramme Darstellung der Wechselwirkungen Berechnungen anhand der Graphen möglich Bsp. W- Elektron-Elektron Streuung Elektromagn. WW. Myon-Zerfall Schwache WW. 27

28 Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte (bis März 2013)
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29 Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte (ab März 2013)
Higgs 29

30 Was ist das Higgsteilchen ?
Im SM sind alle Teilchen masselos Ansatz: Es gibt ein allgegenwärtiges Higgsfeld (Higgsfeld = Raumbereich in dem Higgsteilchen wirken) WW des Higgs-Teilchen mit anderen Teilchen verleiht ihnen Masse Vakuum: Higgs-Teilchen alleine reelles Teilchen „zieht“ HiggsT. an  Teilchen wird gebremst und träge, d.h. es wird massiv

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32 Higgsfeld und Massenerzeugung
WW Feld – Teilchen Beschleunigung eines Elektrons durch elektrisches Feld (Energieübertragung) 2. Higgsfeld übeträgt Energie = Masse / c² via Higgsteilchen an das Elektron

33 LHC - Die Higgsfabrik LHC = Large Hadron Collider
Kollidiert Protonen mit E(Proton) = 4000 TeV  v = c – 9m/s Länge: 27 km 4 große Experimente:

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35 Produktion von Higgsteilchen
Higgsteilchen können erzeugt werden, wenn Protonen mit hoher kinetischer Energie kollidieren, bspw: Produktionsrate insgesamt: ~10 Higgs / Minute Proton Gluon q „Gluonfusion“ q Higgs q Gluon Proton

36 Nachweis des Higgsteilchens
Das Higgs zerfällt auf viele Arten Zwei gut messbare Zerfälle: γ q q H P = 0.23% q γ l+ l = e,µ Z0 l- H P = 0.03% l+ Z0 l-

37 Ergebnisse: Higgs → γγ

38 Higgs → 4l ( l = e,µ )

39 Ereignisbild mit Higgs →μμμμ

40 Physiknobelpreis 2013 An Peter Higgs und Francois Englert für die Theorie des Higgsmechanismus

41 Offene Fragen 1. Frage: Wie entstand unser Universum? 41

42 Offene Fragen 2. Frage: Wo ist die Antimaterie?
Am Anfang des Universums gab es gleich viel Materie und Antimaterie Eine Sekunde später war die Antimaterie weg CP-Verletzung: Materie und Antimaterie verhalten sich ein bisschen unterschiedlich

43 Offene Fragen 3.Frage: Woraus besteht unser Universum?
bekannter Materie macht nur 4% unseres Universums aus 43

44 Offene Fragen 4. Frage: Gibt es eine Weltformel?
Zusammenführen von Theorien schon teilweise gelungen! Schwache Wechselwirkung Elektrostatik Magnetostatik Elektrodynamik (1864) QED (1940er) Starke Wechselwirkung Gravitation Elektroschwache Wechselwirkung (1967) Große Vereinheitlichung Weltformel – „Theory of Everything“ 2010 44

45 Offene Fragen 5. Haben Quarks Unterstrukturen?
6. Weitere Elementarteilchen? 7. Weitere Dimensionen? … es gibt noch viel zu tun! 45

46 Messung des Z0-Zerfalls
2.Teil Messung des Z0-Zerfalls 46

47 Das Opal-Experiment Vielzweck-Experiment am CERN von 1989 bis 2000
Ziel: Erforschung des Z0 und seiner Zerfälle Grundprinzip: Kollision von e+ und e- und Erzeungung von Z0 47

48 … GeV/c²? Das Z0-Boson 1960er: Vorhersage in der Theorie
der elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er: genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: Masse = 91,2 GeV/c² … GeV/c²? 48

49 Masse und Energie Einstein sagt: E=mc²  m=E/c² Umrechnung:
Nutze Einheit Elektronenvolt: Typische Größe: 1`000`000 eV = 1MeV Bsp. m(γ)=0 MeV/c² m(e-) = 0.5 MeV/c² m(µ-) = 106 MeV/c² m(p+) = 938 MeV/c² m(Z0) = MeV/c² = 91,2 GeV/c² 49

50 Das Z0-Boson 1960er: Vorhersage in der Theorie
der elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er: genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: Masse = 91,2 GeV/c² ≈ 97 H-Atome Elektrisch neutral Lebensdauer: Unterliegt der schwachen WW und Gravitation 50

51 Das Z0 Teilchen ist käuflich!

52 Zerfälle von Teilchen Fast alle Teilchen sind instabil und Zerfallen (außer Proton, Photon, Elektron) Art und Weise der Zerfälle durch Naturkräfte bestimmt Teilchenphysiker rekonstruieren Teilchen aus seinen langlebigen Zerfallsprodukten Bsp: Betazerfall: n → p + e- + ν Wichtig für alle Zerfälle: Messung von Energie & Impuls Energie- & Impulserhaltung 52

53 Ergebnis der Neutronrekonstruktion
Lebensdauer (τ) und Energiebreite (σ) sind verknüpft: 53 53

54 Lebensdauer und Zerfallsbreite
Die Lebensdauer/Zerfallsbreite eines Teilchens ist abhängig von Zahl der möglichen Zerfälle („Zerfallskanäle“)  n „Je mehr Löcher desto schneller ist der Eimer leer“ Je mehr Zerfälle desto breiter das Energiespektrum 1 2 3 54

55 Bedeutung des Z0 Zentrale Frage:
Wieviele Teilchen-Generationen gibt es? Besonderheit des Z0: Es zerfällt nur in Teilchen einer Familie! 55

56 Zerfallsbreite des Z0 Breite gibt Aufschluss über Zahl der
Familien = Zahl der Neutrinos Zerfallsbreite des Z0 spricht für 3 Neutrinosorten  3 Teilchenfamilien 56

57 Zerfallswahrscheinlichkeit
Heute: Messe die Zerfallswahrscheinlichkeiten des Z0 Definition: Betrachte 4 Zerfallsmöglichkeiten: 1. Z0  e+ e- 2. Z0  µ+ µ- 3. Z0  τ+ τ- 4. Z0  quark anti-quark 57

58 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor
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59 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor
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60 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor
Kalorimeter aus Bleiglas Myonen- Detektor 60

61 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor
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62 Backup 62

63 Der Teilchenzoo 63

64 Relativitätstheorie Energie-Masse Äquivalenz: E=mc² Genauer: Falls:
Masse: unveränderlicher Teil der Gesamtenergie (Bsp. Kugel) E² = m² + p² E p m 64 64

65 Lebensdauer und Zerfallsbreite
1. Schwere Teilchen zerfallen immer in leichtere, wenn möglich! 2. Der Zerfall eines Teilchens ist ein statistischer Prozess!  Manche Z0 leben länger als andere Zerfallsgesetz: 65

66 Quantenphysik & Relativität
Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Klassisch 66

67 Quantenphysik & Relativität
Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Modern 67

68 Quantenphysik & Relativität
Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Modern 68

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70 Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte (bis März 2013)