Auf der Suche nach den kleinsten Bausteinen

Präsentation zum Thema: "Auf der Suche nach den kleinsten Bausteinen"—  Präsentation transkript:

1 Auf der Suche nach den kleinsten Bausteinen
Erkennen von kleinsten Strukturen Beschleuniger und Detektoren Die kleinsten Bausteine Fundamentale Kräfte und Ladungen Zusammenhang mit Kosmologie Herbstakademie, Michael Kobel

2 Höhenstrahlung Reaktionsprodukte (primärer) kosmischer Strahlung
Erdoberfläche: Einige 100 Teilchen pro Quadratmeter in jeder Sekunde Meist Myonen (m) Was sind eigentlich Myonen ? Bestehen sie aus anderen Teilchen ? Was wird aus Ihnen ? Kommen sie in Materie vor? Was sind überhaupt die kleinsten Bausteine der Materie?

3 Griechische Philosophie
Elemente und Kräfte: v.Chr. Empedokles Vier Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft Zwei Urkräfte: Liebe , Haß  Mischung , Trennung Symmetrien: v.Chr. Platon Symmetrische Körper: Schönheit der Gesetze Kleinste Bausteine: v.Chr. Demokrit Atome: verschiedene Formen und Gewichte Leere: Verbindung und Bewegung im Nichts

4 Besser als Philosophieren: Experimentieren
bloßes Auge: ~ 1mm Auge plus Lupe: ~1/10 mm 10 fach vergrößert Auge und Mikroskop: ~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer) 1000 fach vergrößert Immer noch keine Bausteine sichtbar Wie groß sind die eigentlich ?

5 Messung der Größe eines Ölsäure Moleküls
Löse 0.6ml Ölsäure in 1l Alkohol  0.06%ige Lösung Verteile 1 Tropfen (ca 0.02 ml) auf Wasseroberfläche  Volumen der Ölsäure: 1.2 * m3 = (0,23 mm)3  monomolekulare Schicht Molekülgröße = Volumen / Oberfläche Anzahl der Moleküle: ~ 1016 = In einer Kette aufgereiht: ~ Erde – Mond ( km) C18H34O2

6 Wie kann man 0.001 µm „sehen“? Was heisst überhaupt „sehen“ ?
Sehen = Abbilden Wurfgeschoß (Projektil)  Zielobjekt  Nachweis (Detektor) Wichtig: „Auflösungsvermögen“ : Fähigkeit, Strukturen einer bestimmten Größe zu erkennen Dazu nötig: Größe der Projektile << Größe der Strukturen Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen

7 Unbekanntes Objekt in einer Höhle
Projektil: Basketbälle

8 Projektil: Tennisbälle

9 Projektil: Murmeln ...Nichts wie weg !

10 Einschub: nützliche Einheiten für Teilchen
Größe: 1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = m (1 µm = fm) Energie: 1 ElektronVolt = 1eV 1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV 1 MegaElektronVolt = 1 MeV = eV 1 GigaElektronVolt = 1 GeV = eV 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0, Sekunden zum Leuchten bringen

11 Treffgenauigkeit Quantenmechanische Eigenschaft eines Teilchens
Hat *keine* Entsprechung in unserer Erfahrungswelt (Notbehelf: Wellenbild, *sehr* irreführend) Grundregel (für hochenergetische Teilchen): Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV) zum Beispiel: 0,2 fm bei 1 GeV = 1000 MeV 200 fm bei 1 MeV = 1000 keV 0,00001 µm = fm bei 20 keV 0,1 µm bei 2 eV 0,2 µm bei 1 eV >0,15µm

12 Mögliche Projektile für Strukturen < 0.001 µm
Sichtbare Lichtteilchen (!) (Photonen bei eV) Punktförmig (< fm) Treffgenauigkeit: 0.8 µm – 0.4 µm („Wellenlänge“) Röntgenstrahlen (Photonen bei 20 keV) Treffgenauigkeit: µm (~ 1/10 Atomradius) Abbildung schwierig, da nicht fokussierbar Elektronen bei 20 keV Treffgenauigkeit: µm (~ 1/10 Atomradius (!) ) Protonen bei 2 GeV Größe: 1 fm Treffgenauigkeit: 0.1 fm (~ 1/10 Protonradius) ...

13 Die Struktur des Atoms Beschuss mit Heliumkernen Größe: 1.5 fm, Treffgenauigkeit: 1 fm 1911 Rutherford: auf Goldfolie Atomdurchmesser: fm Harter Kern: 5 fm (Kern : Atom) wie (Kirsche : Fußballfeld) 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff  Beobachtung einzelner Protonen 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium  Beobachtung einzelner Neutronen kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen umgeben von riesiger Elektronenhülle

14 Protonen und Neutronen sind nicht elementar!
Indirekte Hinweise: z.B. Ordnungsschema (60er Jahre) Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen  Quarks 1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg Nötige Treffgenauigkeit: << 1 fm  Energie >> 0,2 GeV Resultat: 1 fm

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

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

17 Ab 2006: ATLAS Experiment, CERN
170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern Größenvergleich

18 Teilchenidentifikation = Detektivarbeit
Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

19 Direkter Nachweis von Quarks im Proton
e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e ¯  p 800 GeV

20 Zusammenfassung Bausteine
Fundamentale Bausteine der Materie: Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d Alle punktförmig ( < fm) Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?

21 Konzept der Wechselwirkungen
Kraftwirkung zwischen Teilchen Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion 4 fundamentale Wechselwirkungen Gravitation (Schwerkraft) Elektromagnetismus Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung S N q p n

22 Prinzip von Kraftwirkungen
Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend Anziehend

23 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 Ladungsmenge vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren Mehr wissen wir (noch) nicht

24 Die elektromagnetische Kraft
Ladung: elektrische Ladung Q Arten: 1 Ladungsart: „Zahl“, positiv oder negativ Botenteilchen: Photon Eigenschaften: elektrisch neutral: Q= masselos : m=0 Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung / / O Besonderheiten: Unendliche Reichweite Makroskopisch beobachtbar (Versuch) Magnetfelder lenken elektrisch geladene Teilchen ab, umso weniger je höher deren Energie ist (Versuch)

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, g r, b, g Besonderheiten: Endliche Reichweite ca 1 fm Hält p, n und Atomkern zusammen Makroskopisch nicht beobachtbar, außer radioaktiver Zerfall  Heliumkerne (Versuch)

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, Masse : m = 80 – 90 GeV Teilchen Up Down Neutrino Elektron I / / / /2 Besonderheiten: Endliche Reichweite ca fm Makroskopisch nicht beobachtbar, außer Brennen der Sonne Radioaktiver Zerfall des Neutrons Analog: Zerfall des Myons µ  enn

27 Das Neutrino „Geisterteilchen“
Postuliert 1931, elektr. neutraler Partner des Elektrons Extrem kleine Masse (< 1 / Elektronmasse) Sehr schwache Wechselwirkung (kann ohne Wechselwirkung die Erde durchfliegen) Nachweis 1956: von 1012 Reaktorneutrinos pro Sekunde und mm2 nachgewiesen in 10 Kubikmeter Wasser : 3 pro Stunde 400 Neutrinos / Kubikzentimeter überall im Universum

28 Antimaterie Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Ladungsvorzeichen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen können paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt können Sich diese wieder zu Botenteilchen (Energie) vernichten

29 Teilchen-Antiteilchen Vernichtung bei CERN

30 Zusammenfassung „Kräfte“
Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren Sowie die Bildung von Teilchenjets aus Quarks

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

32 Zusammenhang Teilchenphysik - Kosmologie
Teilchenkollision bei hohen Energien heißes Universum alle Teilchen haben hohe Energie (Temperatur) und kollidieren unkontrolliert gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung

33 Rückblick zum Urknall im Bereich von Theorien durch Experimente
gesichert

34 Schlussübersicht