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H. EberlELEMENTARTEILCHEN – Vorstoß in den Mikrokosmos An der Grenze des Stofflichen ELEMENTARTEILCHEN Vorstoß in den Mikrokosmos H. Eberl Institut für.

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Präsentation zum Thema: "H. EberlELEMENTARTEILCHEN – Vorstoß in den Mikrokosmos An der Grenze des Stofflichen ELEMENTARTEILCHEN Vorstoß in den Mikrokosmos H. Eberl Institut für."—  Präsentation transkript:

1 H. EberlELEMENTARTEILCHEN – Vorstoß in den Mikrokosmos An der Grenze des Stofflichen ELEMENTARTEILCHEN Vorstoß in den Mikrokosmos H. Eberl Institut für Hochenergiephysik der ÖAW Nikolsdorfer Gasse 18, 1050 Wien

2 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Meine wissenschaftliche Tätigkeit –Wo bin ich angestellt? am Hephy – 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. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos 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. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos 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. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Fachbereiche : Halbleiterdetektoren Algorithmen und Softwareentwicklung Physikalische Datenanalyse Elektronik I Elektronik II Rechentechnik Werkstatt Konferenzen Ausstellungen Experimente: CMS NA48 BELLE Theorie/ Phänomenologie Projekte

6 H. EberlELEMENTARTEILCHEN – Vorstoß in den Mikrokosmos Theorie/Phänomenologie

7 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Mitarbeiter Walter Majerotto Helmut Eberl Wolfgang Lucha Christian Weber – Doktorand, befristet angestellt Karol Kovarik - Doktorand Wilhelm Öller - Diplomand

8 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Arbeitsgebiete Supersymmetrie (SUSY) H. Eberl, K. Kovarik, W. Majerotto, W. Öller, C. Weber Bindungszustände von Quarks, Endliche Quantenfeldtheorien W. Lucha

9 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos 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. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos 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 x kann man zwei Punkte 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. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos 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!

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13 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Prinzip eines Kreisbeschleunigers

14 H. EberlELEMENTARTEILCHEN – Vorstoß in den Mikrokosmos e-e- e+e+ Elektron Positron (=Anti-Elektron) e-e- e+e+ Large Electron Positron Collider Energie des Zusammenstoßes ist 200 GeV ! das entspricht einem Kondensator mit der Spannung von 2*10 11 Volt, das sind 200 Milliarden Volt. Neue Teilchen

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16 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Ein Blick auf den ALEPH Detektor von LEP

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18 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos 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

19 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Quantenfeldtheorie Klassische Felder werden zu Quanten oder anders gesagt: Kräfte sind auch als Teilchen interpretierbar – z.B. Photon Klassische Teilchen werden zu Feldern Beispiele: alle Materiebausteine – Quarks und Leptonen, up-quark, down-quark, e -, e +, neutrinos, … Felder breiten sich endlich schnell aus Spezielle Relativitätstheorie – Lichtgeschwindigkeit c ist in allen Inertialsystemen konstant.

20 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Quanten können produziert und vernichtet werden und besitzen Quantenzahlen (Ladung,…) Operatoren wirken auf Zustände System wird durch Gesamtenergie beschrieben Zustand ist Wahrscheinlichkeitswelle Schrödingergleichung, … Fermionen: Ausschließungsprinzip Wolfgang Pauli, 1925 j = l + s Quantenzahl quantenmechanisch – Zustandsfunktion total antisymmetrisch a.b = -b.a

21 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Unbestimmtheit der Position des Teilchens Unbestimmtheit der Geschwindigkeit des Teilchens x Masse des Teilchens x> - Es gilt die Heisenberg’sche Unschärferelation:  x.  p > - h 44 h – Planck’sches Wirkumsquantum (= J s) Der Impuls p = m v

22 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Symmetrien-Erhaltungssätze

23 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Das Symmetrieprinzip: Bestimmte Transformationen müssen die Form der Naturgesetze unverändert lassen. Auch bei Spiegelung und Farbänderung bleibt die Monroe immer die Monroe

24 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos 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:

25 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos 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

26 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Symmetriebrechung In der Natur sind Symmetrien nie 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!

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28 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos 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.

29 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos 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.

30 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos 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.

31 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Virtuelle Welt Wo ist nun die Grenze des Stofflichen? Infolge der Heisenberg’schen 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!

32 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Sfermion-Produktion mit einem e + e - Collider (einige Feynman Graphen) Tree-level Graphen: One-loop level O(h f 2 ) Selbstenergien:

33 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos One-loop level O(h f 2 ) Vertex Graphen:

34 H. EberlElementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos Einige ‘heiße’ Fragen derTeilchenphysik (die zur Zeit experimentell untersucht werden) ddddjjjjjWwww 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. ‘Dunkle Materie’des Universums? Warum mehr Materie als Antimaterie? Haben Neutrinos eine Masse? Warum so klein? Gibt es Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’) Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ?

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