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An der Grenze des Stofflichen Vortrag zur Ausstellung Elementarteilchenphysik im BRG 10 H. Eberl Institut für Hochenergiephysik der ÖAW Nikolsdorfer Gasse.

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Präsentation zum Thema: "An der Grenze des Stofflichen Vortrag zur Ausstellung Elementarteilchenphysik im BRG 10 H. Eberl Institut für Hochenergiephysik der ÖAW Nikolsdorfer Gasse."—  Präsentation transkript:

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

2 H. Eberl11. Jänner 2005 Meine wissenschaftliche Tätigkeit –Wo bin ich angestellt? am Hephy (Institut für 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 Quantenfeldthorie

3 H. Eberl11. Jänner 2005 Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften 1050 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 H. Eberl11. Jänner 2005 Mitarbeiter 23 Experimentalphysiker 4 Theoretische Physiker 13 Techniker 4 EDV-Spezialisten 4 Mechaniker 3 Administration Ex ThTechn EDV Mech Ad Experimentalphysiker: 19unbefristet 4befristet Theoretische Physiker: 3 unbefristet 1befristet

5 H. Eberl11. Jänner 2005 Fachbereiche : Halbleiterdetektoren Algorithmen und Softwareentwicklung Physikalische Datenanalyse Elektronik I Elektronik II Rechentechnik Werkstatt Konferenzen Ausstellungen Experimente: CMS NA48 BELLE Theorie/ Phänomenologie Projekte

6 Theorie/Phänomenologie

7 H. Eberl11. Jänner 2005 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 H. Eberl11. Jänner 2005 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 H. Eberl11. Jänner 2005 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 H. Eberl11. Jänner 2005 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: E = h c/ ) und desto tiefer dringt man in den Mikro- kosmos vor. Elementarteilchen sind zugleich Welle und Teilchen! De Broglie, 1924, Elektron: h/p ~ h/(2 m e e U) 1/2 ~ 12.3 /(U/Volt) 1/2 U -Beschleunigungsspannung

11 H. Eberl11. Jänner 2005 Lichtmikroskop – x bis ca fach ~ m = m Elektronenmikroskop – x in Praxis bis ca fach ~ nm = m LHC (large hadron collider) ~ m Proton-Proton Kollisionen Der LHC ist derzeit noch im Bau, Fertigstellung 2007 (?) Beschleuniger : Energie so hoch, daß neue Teilchen erzeugt werden können (Einstein: E = m c 2 ) 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. LEP ist seit 2002 nicht mehr im Betrieb. LEP ~ m = m!

12 H. Eberl11. Jänner 2005

13 H. Eberl11. Jänner 2005 Prinzip eines Kreisbeschleunigers

14 H. Eberl11. Jänner 2005

15 H. Eberl11. Jänner 2005 Moderne Experimente Das CMS-Experiment

16 H. Eberl11. Jänner 2005 Moderne Experimente Endcaps des KalorimetersEndcaps der Driftkammer Stand Juni 2004 Das CMS-Experiment

17 H. Eberl11. Jänner 2005 Kräfte Teilchen spin = Eigendrehimpuls Spin 1 Spin 1/2 Bosonen Fermionen bilden Materie = Stofflichkeit elektromagnetische, schwache, starke Kraft, Gravitation Photon, W- und Z-Bosonen, Gluonen, Gravitonen (?) Kraft – Feld Teilchen =Wechselwirkung

18 H. Eberl11. Jänner 2005 Symmetrien-Erhaltungssätze

19 H. Eberl11. Jänner 2005 Das Symmetrieprinzip: Bestimmte Transformationen müssen die Form der Naturgesetze unverändert lassen. Auch bei Spiegelung und Farbänderung bleibt die Monroe immer die Monroe

20 H. Eberl11. Jänner 2005 Emmy Noether 1918: Jede Symmetrieeigenschaft hat einen Erhaltungssatz zur Folge! Paritätx = - xAbsolut rechts (links) Bose-Einstein oder Fermi-Dirac Statistik Permutation Austausch identischer Teilchen DrehimpulsDrehungIsotropie des Raumes Energiet = t + t 0 Homogene Zeit Impulsx = x + x 0 Homogener Raum Erhaltungsgröße Symmetrie- transformation Symmetrieeigenschaft Einige Beispiele:

21 H. Eberl11. Jänner 2005 Ein konkretes Beispiele: Neutronzerfall Energieerhaltung: m n > m p + m e > Impuls- und Drehimpulserhaltung (führte zur Entdeckung des Elektronneutrinos) Erhaltung der elektrischen Ladung: 0 = +1 – Erhaltung der Baryonzahl: +1 = Erhaltung der Leptonzahl: 0 = n p + e - + e Neutron zerfällt in ein Proton + Elektron + Antielektronneutrino

22 H. Eberl11. Jänner 2005 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 H. Eberl11. Jänner 2005 Teilchenphysik und Kosmologie t = 0 s Urknall: Alle vier Grundkräfte (Gravitation, elektromagnetische, schwache und starke Kraft) sind bei der sog. Planck-Energie (10 19 GeV) vereinheitlicht t = s Die starke Kraft spaltet sich bei GeV ab t = s Elektroschwache Symmetriebrechung bei 10 2 GeV: Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung entstehen t = 3 min Leichte Atomkerne entstehen bei 0.1 MeV t = 10 5 y Atome, die Bausteine der Materie, entstehen erst nach ca Jahren

24 H. Eberl11. Jänner 2005 Fermionen (Spin ½) Ladung 0 +2/3 -1/3 d u u d u d LeptonenQuarks +1 0 Proton Neutron Baryonen Wechselwirkungen stark schwach Schwerkraft ? Schwache Kraft W, Z Elektromagn. Kraft Starke Kraft g Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) e e uct dsb Das moderne Bild- das Standardmodell

25 H. Eberl11. Jänner 2005 d u s c b t e e Anti -Teilchen Wechselwirkungen stark schwach e Ladung /3 + 1/3 Schwerkraft ? Schwache Kraft W, Z Elektromagn. Kraft Starke Kraft g e d u s c b t LeptonenQuarks Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) Das moderne Bild- das Standardmodell

26 H. Eberl11. Jänner 2005 Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber … Das Standardmodell Das Higgs- Boson 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 H. Eberl11. Jänner 2005 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 H. Eberl11. Jänner 2005 BosonenFermionen 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. SUSY - die wahre Liebe der Teilchenphysiker? SUSY Teilchenspektrum. Grün: bekannte Teilchen des Standardmodells. Rot: gesuchte neue Teilchen.

29 H. Eberl11. Jänner 2005 SUSY-Teilchen im Experiment Rechts sieht man die schematische Darstellung von Produktion und Zerfall von SUSY Teilchen am LHC. 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. SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Rechts daneben die Simulation der entsprechenden Signatur für den CMS Detektor.

30 H. Eberl11. Jänner 2005 Virtuelle Welt Wo ist nun die Grenze des Stofflichen? Infolge der Heisenbergschen Unschärferelation laufen in einer kurzen Zeitspanne t 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 + x 2 + x 3 + … Ein Beispiel: Bei LEP wurde aus der genauen Messung der Lebensdauer des Z-Bosons die Masse des top-quarks erfolgreich vorhergesagt!

31 H. Eberl11. Jänner 2005 Sfermion-Produktion mit einem e + e - Collider (einige Feynman Graphen) Tree-level Graphen: One-loop level O(h f 2 ) Selbstenergien:

32 H. Eberl11. Jänner 2005 One-loop level O(h f 2 ) Vertex Graphen:

33 H. Eberl11. Jänner 2005 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 Dunkle Materie und Dunkle Energie 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, …) Die neue Physik

34 H. Eberl11. Jänner 2005 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 Teilchenphysik und Kosmologie

35 H. Eberl11. Jänner 2005 Teilchenphysik und Kosmologie Es sind noch lange nicht alle Rätsel des Universums gelöst…


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