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Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Studieninformationstag 2003 RWTH Aachen Joachim Mnich.

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Präsentation zum Thema: "Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Studieninformationstag 2003 RWTH Aachen Joachim Mnich."—  Präsentation transkript:

1 Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Studieninformationstag 2003 RWTH Aachen Joachim Mnich

2 Elementarteilchenphysik: Erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält (Goethe, Faust) I) Was sind die fundamentalen Bausteine der Materie? II) Welches sind ihre fundamentalen Wechselwirkungen (Kräfte)? Demokrit (ca. 400 vor Christus) führte den Begriff Atom ein als Bezeichnung der unteilbaren Bausteine der Materie

3 Entfernung Sonne-Erde: 150 Million km oder 8 Lichtminuten m entspricht ca. 10 Milliarden Lichtjahre 0, m 56 g Eisen enthalten 6 ·10 23 = Eisenatome Elementarteilchenphysik Kosmologie Astronomie, Astrophysik Festkörperphysik, Atomphysik Kernphysik Mechanik, Optik, angewandte Physik, Geophysik,...

4 Verbindung zwischen Elementarteilchenphysik und Kosmologie Die Theorie des Urknalls (Big Bang) verbindet die Physik der größten und der kleinsten Abstände Galaxien entfernen sich voneinander: Ausdehnung des Universums: v = H 0 d Große Entfernung d entspricht großer Fluchtgeschwindigkeit v Edwin Hubble (1929): Moderne Messungen mit Hubble-Satellit Daraus folgt im Umkehrschluss Das Universum hatte einen Anfang (Urknall oder Big Bang) Es entstand vor ca. 15 Milliarden Jahren aus einer Singularität Frühe Phase ist gekennzeichnet durch kleine Abstände und hohe Temperaturen, d.h. hohe Energien Ursuppe aus Elementarteilchen

5 Theorie Experiment

6 = h/p = h/p Quantentheorie: Teilchen sind Wellen und Wellen sind Teilchen Je größer der Impuls p, oder die Energie E, umso kleiner ist die Wellenlänge M. Planck... und Gott würfelt doch... Elementare, quantenphysikalische Prozesse sind nicht deterministisch, nur Wahrscheinlichkeiten berechenbar Experimente müssen häufig wiederholt werden Unschärferelation x p ћ x p ћ Ort und Impuls nicht beliebig genau messbar W. Heisenberg Theoretische Fundamente der Elementarteilchenphysik E = mc 2 Relativitätstheorie: Masse ist Energie und Energie ist Masse Erzeugung von Teilchen mit großen Massen erfordert hohe Energie Albert Einstein

7 Elementarteilchenphysik = Hochenergiephysik Untersuchung subatomarer Strukturen: x Strukturgröße Wellenlänge > Die Untersuchung kleinster Strukturen erfordert Strahlung (Teilchen) kleinster Wellenlängen, d.h. höchster Energien Elementarteilchen sind strukturlose Objekte ohne räumliche Ausdehnung, die Eigenschaften wie Masse, Ladung, Spin etc. besitzen Untersuchungen bei höheren Energien: – Überprüfung von Kandidaten für Elementarteilchen – Erzeugung von neuen, schwereren (Elementar)-Teilchen – Untersuchung der fundamentalen Wechselwirkungen – Annäherung an den Urknall

8 Teilchenbeschleuniger: Geladene Teilchen, wie z.B. Elektronen, gewinnen Energie im elektrischen Feld (Beschleunigung) Geladene Teilchen werden in Magnetfeldern abgelenkt (senkrecht zur Feld- und Bewegungsrichtung Fernsehapparat ist ein Teilchenbeschleuniger: Energie des Elektronenstrahls: 20 KeV = eV Wellenlänge der Elektronen: 10 –11 m EnergiegewinnSpannungsdifferenz 1 eV1 V 1 keV1 000 V 1 MeV V 1 GeV V + + – –

9 Beschleuniger zur Erzeugung von Teilchenstrahlung höchster Energie Beschleunigung geladener Teilchen durch elektromagn. Wellen in Hohlraumresonatoren Schiesse energiereiche Teilchen auf Probe und untersuche gestreute Teilchen Linearbeschleuniger Ringbeschleuniger Wesentlich höhere Energien erreichbar durch Teilchenkollissionen ( Collider)

10 HERA am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg: Protonen Elektronen

11 LEP (Large Electron Positron Collider) am CERN in Genf: Strahlenergie 100 GeV, 27 km Umfang, Betrieb 1989 – 2000 Positronen Elektronen

12 Bilder aus dem LEP-Tunnel:

13 Beispiel: Der DELPHI-Detektor am LEP-Speicherring Detektoren Große Apparate zum Nachweis der erzeugten Teilchen ( typisch 10 m 10 m 10m) Internationale Kollaborationen mit mehreren hundert Physikern

14 Aufbau der Materie (1) Ende des 19. Jahrhunderts: Periodensystem der chemischen Elemente Etwa 100 Bausteine der Materie 1911: Rutherford Streuexperiment -Teilchen (E 5 MeV) an Goldfolie Atomkern m Protonen & Neutronen Atomhülle m Elektronen Atome sind leer! Altertum: Vier Elemente Feuer, Wasser, Erde, Luft

15 Protonen und Neutronen sind nicht elementar, sondern enthalten jeweils 3 Quarks Aufbau der Materie (2) Man braucht 2 verschiedene Quarks um Proton und Neutron aufzubauen: up-Quark mit Ladung +2/3 down-Quark mit Ladung –1/3 Proton = (u u d) Neutron = (u d d) 1960: Hofstadter Elektron-Proton-Streuung Energie GeV q q q 1930: W. Pauli postuliert das Neutrino e Entsteht in vielen Kern- und Teilchenreaktionen, z.B. Energieproduktion der Sonne durch Kernfusion, Zerfall des Neutrons Eigenschaften: Ungeladen, (fast) masselos Fast keine Wechselwirkung mit Materie Das Neutrino wurde erst 1956 experimentell nachgewiesen

16 Aufbau der Materie (3) Die Sonne im Neutrino-Licht: Neutrinos sind sehr wichtige Teilchen im Universum Beispiel: Energieproduktion der Sonne 6,4 · Sonnenneutrinos pro cm 2 und Sekunde auf der Erde

17 LadungSpin Leptonen e Neutrino e – Elektron 0 – 1 ½½½½ Quarks u up-Quark d down-Quark + 2/3 – 1/3 ½½½½ Die fundamentalen Fermionen (1) Alle bekannte Materie des Universums besteht aus 4 Teilchen: Eigenschaften dieser Teilchen: Punktförmig (R < 10 –18 m) strukturlos, elementar Eigendrehimpuls (Spin) s = ½ ћ daher der Name Fermionen Materie ist aus Fermionen aufgebaut! Ach so, alles besteht aus Quarks und Leptonen! Wer hätte gedacht, dass es so einfach ist? Aber...

18 Materie und Antimaterie + Neutrino Aufbau der Materie aus den fundamentalen Bausteinen: Antimaterie: Zu jedem der 4 Fermionen existiert ein Antiteilchen Gleiche Eigenschaften, nur umgekehrte Ladung Beispiel: Antielektron (Positron) e +, Anti-u-Quark (Ladung -2/3),... Warum beobachten wir nur Materie im Weltall und keine Antimaterie? Aufbau von Antimaterie aus den Antifermionen: Anti- quarks Antineutron Antiproton Antikern Positron Antiatom Antimaterie + Antineutrino

19 SpinLadung ½½½½ +2/3 –1/3 u up-Quark d down-Quark Quarks ½½½½ 0 –1 e Neutrino e – Elektron Leptonen Myon-Neutrino – Myon 0 –1 ½½½½ c charm-Quark s strange-Quark +2/3 –1/3 ½½½½ Tau-Neutrino – Tau 0 –1 ½½½½ t top-Quark b bottom-Quark +2/3 –1/3 ½½½½ III. II. I. Die fundamentalen Fermionen (2) Von jedem (Anti)-Fermionen existieren 3 identische Kopien: 3 Familien oder Generationen Fermionen veschiedener Generationen haben identische Eigenschaften Einziges Unterscheidungsmerkmal: die Masse Beispiel: Myon – ist ca. 200 mal schwerer als Elektron bei sonst gleichen Eigenschaften Who ordered that? Schwere Fermionen zerfallen in leichte, z.B. – e – e Warum existieren diese drei Kopien der fundamentalen Fermionen?

20 Die fundamentalen Wechselwirkungen 1) Gravitation (Schwerkraft) Gravitation ist kein Bestandteil des Standardmodells Elementarteilchen: zu schwach, spielt keine Rolle 4) Starke Wechselwirkung Bindet Quarks in Protonen und Neutronen, Kernkraft 2) Elektromagnetische Wechselwirkung Elektrostatik Magnetismus Bindet Elektronen und Kern zu Atomen und Atome zu Molekülen und Kristallen 3) Schwache Wechselwirkung äußert sich in bestimmten Kern-und Teilchenreaktionen, z.B. Neutronzerfall: n p e – e oder Sonne: 4 H He + 2 e

21 Ladungen Wechselwirkungen Quarks tragen Farbe, Leptonen nicht Name stammt aus Analogie mit Farblehre rot + grün + blau = weiß (farblos) Die Fermionen tragen Ladungen, die ihre Wechselwirkungen bestimmen: LadungWechselwirkung MasseGravitation elektrischeelektromagnetische schwache Farbestarke

22 Theorie der fundamentalen Wechselwirkungen Theoretische Beschreibung der fundamentalen WW basiert auf Symmetrien (genauer: lokalen Eichsymmetrien) Elementarteilchenphysik: unmessbare Phasen der Wellenfunktionen, die Elementarteilchen beschreiben Symmetrie (oder Eichfreiheit) in der Physik: Einfaches Beispiel ist Rotationssymmetrie einer Kugel Ausgang eines Experimentes hängt nicht von Orientierung der Kugel ab Absolute Orientierung ist nicht messbar! WechselwirkungGruppe Gravitation? elektromagnetischeU(1) schwacheSU(2) starkeSU(3) Warum sind genau diese Symmetrien realisiert? Mathematische Beschreibung durch Gruppentheorie Jeder Wechselwirkung ist eine Symmetriegruppe zugeordnet

23 WechselwirkungTeilchenSpin [ћ ] Ladungen elektr.schwachFarbe Masse [c 2 ] Gravitation?1 Elektromagnetische Photon 1–100 SchwacheZ-Boson W ± -Bosonen ± ,2 GeV 80,4 GeV StarkeGluon g1008 Komb.0 Austauschteilchen (Bosonen) Elektromagnetisches Feld Photon Tabelle der Austauschteilchen: Materie besteht aus Fermionen Spin s = 1/2 ћ Wechselwirkungen werden durch Bosonen s = ћ vermittelt Alle Austauschteilchen sind im Experiment nachgewiesen! Jeder Symmetrie (= Wechselwirkung) entspricht ein Feld und jedem Feld ein Teilchen, z.B: Wechselwirkungen werden durch Austauschteilchen vermittelt

24 Vereinheitlichung der Wechselwirkungen Energie in GeV Stärke Stärke der Wechsel- wirkungen ändert sich mit Energie Charakterisiert durch Kopplungskonstanten Kopplungsstärken werden gleich bei E GeV Extrapolation der Energieabhängigkeit der Kopplungskonstanten Warum gibt es diese vier fundamentalen Wechselwirkungen? Vermutungen: Bei GeV gibt es nur eine fundamentale Wechselwirkung Bei GeV wird die Gravitation zwischen Elementarteilchen wichtig 10 –43 Sekunden nach dem Urknall Leider nicht durch Teilchenbeschleuniger erreichbar...

25 Das schöne Konzept der lokalen Eichsymmetrien funktioniert nicht mit massiven Austauschteilchen Das Higgs-Boson Z-Boson W ± -Bosonen 91,2 MeV /c 2 80,4 MeV/c 2 Grund ist die Unschärferelation: massives Austauschteilchen = endliche Reichweite der Wechselwirkung Mathematischer Trick: Das Vakuum ist nicht leer sondern erfüllt vom Higgs-Feld Wir kennen alle Eigenschaften des Higgs-Bosons, außer der Masse! Es muss noch ein Teilchen geben Das Higgs Boson H 0 ungeladen, Spin s = 0, koppelt an die Masse

26 Zukunft: LHC (Large Hadron Collider) ab 2007 im LEP-Tunnel Proton-Proton-Beschleuniger Schwerpunktsenergie GeV Beispiel: CMS-Detektor

27 Senkrechter Schnitt durch den CMS Detektor: Computersimulation der Signale verschiedener Teilchen, die am Kollsionspunkt erzeugt werden Extreme Zeitlupe, da sich alle Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen!

28 Geplanter TESLA Elektron-Positron-Beschleuniger

29 Elementarteilchenphysik im Jahr 2003: Materie besteht aus Quarks und Leptonen Spin 1/2 R < m Fundamentale Wechselwirkungen und Austauschteilchen (Spin 1) Gravitation ??? elektromagn. Photon schwach W ±, Z starke WW Gluonen Masse der Teilchen Existiert das Higgs-Boson?

30 Europäisches Kernforschungszentrum CERN (Genf): Internet-Adressen Elementarteilchenphysik für die Allgemeinheit Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY (Hamburg): Deutsche Outreach-Gruppe für Elementarteilchenphysik:

31 Computersimulation der Geschichte des Universum:


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