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Okt. 2011 Wien, 13. Okt. 2011 Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik der ÖAW c/o CERN, Genf WIMPS,

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Präsentation zum Thema: "Okt. 2011 Wien, 13. Okt. 2011 Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik der ÖAW c/o CERN, Genf WIMPS,"—  Präsentation transkript:

1 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 HighHeels@HighEnd Wien, 13. Okt. 2011 Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik der ÖAW c/o CERN, Genf WIMPS, MACHOS, CHARM und STRINGS

2 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 C.-E. Wulz2 Teilchenphysikerin am CERN bei Genf angestellt beim Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften Dozentin an der Technischen Universität Wien Vorstellung

3 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Wie und wann ist das Universum entstanden? Wie wird es sich weiter entwickeln? Woraus besteht es? Welche Kräfte wirken zwischen seinen Bestandteilen? Zusammenhang zwischen Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie -> ASTROTEILCHENPHYSIK

4 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Einige konkrete offene Fragen HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz4 Warum hat das Universum Substanz? -> Higgs-Teilchen Woraus besteht das Universum? -> Wir kennen nur 4% (Quarks, Leptonen), Rest ist dunkle Materie und dunkle Energie. Wie muss das Standardmodell der Teilchenphysik erweitert werden? -> Supersymmetrie, Stringtheorie? Gibt es zusätzliche Raumdimensionen? -> Gravitation Können alle Kräfte vereint werden -> gibt es eine Weltformel?

5 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz5 Teilchenbeschleuniger z.B. LHC, RHIC, KEK-B Undergrundlaboratorien und -experimente z.B. Gran Sasso, Kamiokande, IceCube Raumsonden z.B. FERMI, Hubble, Planck Terrestrische Teleskope z.B. ALMA, VLT Experimente an Kernreaktoren oder mit radioaktiven Quellen z.B. KamLAND, Double-CHOOZ, Katrin, Atominstitut KamLAND Anlagen zur Beantwortung dieser Fragen Experimente mit kosmischen Strahlen z.B. Auger Gran Sasso Auger Hubble Very Large Telescope (VLT) LHC

6 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Bausteine der Materie Die bekannte Materie besteht aus ATOMEN Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks Protonen und Neutronen gehören zu den Hadronen Protonen Neutronen Elektronen C.-E. Wulz6

7 Quarks Lepton uud = Proton udd = Neutron Bausteine für alles Bekannte z.B. Menschen, Planeten, … up down Elektron C.-E. Wulz 7 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011

8 Vor 13.7 Milliarden Jahren gab es mehr Teilchen im Universum als jetzt … up down charm strange top bottom Elektron Müon Tau Elektron- Neutrino Müon-NeutrinoTau-Neutrino QuarksLeptonen C.-E. Wulz 8 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 In einem Beschleuniger wie dem LHC können all diese Teilchen neu erzeugt werden.

9 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz9 Proton Antiproton HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Abgeschaltet Ende Sep. 2011, Entdeckung des Top-Quarks 1995 Tevatron

10 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz10HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Entdeckung des Charm-Quarks Mark-II Detektor Stanford, Kalifornien Burton Richter Samuel Ting, Brookhaven, NY 1976 J/psi (cc ) _

11 Quarks Leptonen Kräfte Standardmodell HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz11

12 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Die fundamentalen Kräfte KRAFTRELATIVE STÄRKE REICHWEITEVERMITTLER Stark110 -15 mGluonen Schwach10 -6 10 -18 mW, Z Elektromagnetisch10 -2 unendlichPhoton Schwerkraft10 -38 unendlichGraviton C.-E. Wulz12

13 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Ohne Higgs-Mechanismus wären alle Teilchen des Standardmodells masselos. Masse entsteht erst durch die Wechselwirkung mit einem (hypothetischen) Higgs-Feld. Das gesamte Universum ist von diesem Higgs-Feld durchdrungen. Schwingungen in diesem Higgs-Feld erscheinen als Higgs- Teilchen, dessen Nachweis am LHC / CERN gelingen soll. Die Masse des Higgs-Teilchens ist a priori nicht bekannt, aber alles deutet darauf hin, dass es relativ leicht ist. Erzeugung von Masse durch Higgs-Mechanismus C.-E. Wulz13 Eine eventuelle Nichtexistenz des Higgs-Teilchen kann vermutlich noch heuer bestätigt werden. Eine gesicherte Entdeckung sollte 2012/2013 möglich sein.

14 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 LHC und die Experimente C.-E. Wulz14HighHeels@HighEnd, Okt. 2011

15 C.-E. Wulz15 CMS-Experiment 15 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011

16 Sep. 2011 C.-E. Wulz16 H -> ee candidate

17 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz17 (Prof. Peter) Higgs im ATLAS-Experiment C.-E. Wulz17HighHeels@HighEnd, Okt. 2011

18 Ein Vergleich der Rotationsgeschwindigkeiten von Sternen nahe dem Zentrum von Spiralgalaxien und weiter außen liegenden Sternen ergibt, daß die Geschwindigkeiten weiter außen nicht mit den Gesetzen der Mechanik kompatibel sind. Dunkle Materie C.-E. Wulz18C.-E. Wulz18HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Auch müssten aufgrund der hohen Temperatur viele Sterne auseinander fallen, wenn nicht zu- sätzlich zur sichtbaren Masse noch Masse aus dunkler Materie vorhan- den wäre. Vera Rubin Fritz Zwicky

19 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz19C.-E. Wulz19HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Kollision der zwei Galaxien im Bullet Cluster (2006) Die normale Materie (rot) wird abgebremst, während die dunkle Materie (blau, sichtbar gemacht) sich ungehindert weiterbewegt. Erster direkter Nachweis der dunklen Materie

20 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 WIMPS (weakly interacting massive particles, MACHOS (massive astrophysical compact halo objects), … ? C.-E. Wulz20 Was ist die dunkle Materie ? … Verbindung von Astrophysik und Teilchenphysik! Supersymmetrie sagt ein Teilchen voraus, das ein WIMP sein könnte: das leichteste Neutralino MACHOS sind astronomische Objekte aus normaler (baryonischer) Materie wie: Braune und weiße Zwerge (z.B. Supernovae Ia) Neutronensterne (Kollaps nach Supernova-Explosion) Schwarze Löcher HighHeels@HighEnd, Okt. 2011

21 C.-E. Wulz21 Suche nach WIMPS Suche nach Neutralinos (ATLAS, CMS am LHC) Streuung von WIMPS an Atomkernen (Experimente Edelweiss, CDMS, DAMA, …) Neutrinos sind nach heutigem Wissen nicht Bestandteil der dunklen Materie, obwohl sie nicht masselos sind. Germanium-Detektor ATLAS

22 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Beobachtungen von Supernovae ergaben, daß eine mysteriöse Kraft - dunkle Energie - das Universum immer schneller auseinander treibt! Relative Entfernung entferntnahe Relative Lichtintensität niedrig hoch Beschleunigte Ausdehnung Gebremste Ausdehnung Supernova 1987A Spektrallinien der Sonne Spektrallinien einer entfernten Galaxie Rotverschiebung C.-E. Wulz22 2011 Entdeckung der dunklen Energie (1998) Saul Perlmutter, Brian Schmidt, Adam Riess

23 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Entwicklung des Universums C.-E. Wulz23 URKNALL GRÖSZE DES UNIVERSUMS ZEIT HEUTE (13,7 Milliarden Jahre) ZUKUNFT KONSTANTE DUNKLE ENERGIE ENDKNALL KOLLAPS HighHeels@HighEnd, Okt. 2011

24 C.-E. Wulz24 Quantentheorie Die Teilchenphysik folgt den Gesetzen der Quantentheorie. Klassisches Bild: Elektronen bewegen sich auf festen Bahnen um den Atomkern Quantentheoretisches Bild: Elektronen haben bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeiten Jedoch: Die Gravitation passt nicht in die quantenmechanische Welt!

25 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 C.-E. Wulz25 Stringtheorie Elektron Up-Quark Higgs Photon Graviton Die Stringtheorie vereint alle Teilchen und alle Kräfte (auch die Gravitation) in einem einzigen Objekttyp, dem String. Wie Saiten können Strings verschieden vibrieren. Kurz nach dem Urknall war die Materie auf kleinstem Raum vereint und die Kräfte waren alle gleich. Stringtheorie ist nötig, wenn wir wissen wollen, was bei ca. 10 -42 s nach dem Urknall geschah.

26 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Unser bekanntes Universum: 3 Raumdimensionen + 1 Zeitdimension Stringtheorie: mindestens 9 + 1 Dimensionen 2. Dimension: aufgerollt Seiltänzer: 1 Dimension Ameise: 2 Dimensionen C.-E. Wulz26 Extradimensionen

27 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Extra-Dimension Gravitation unser 3+1-dimensionales Universum Gravitation Gravitation scheint 10 -38 mal so schwach im Vergleich zur starken Wechselwirkung -> schwer vereinbar mit anderen Kräften! Mögliches Modell: Bekannte Teilchen leben im 3+1-dimensionalen Universum (Brane) Gravitation lebt in einem höherdimensionalen Universum (Bulk) Extra-Dimensionen sind aufgerollt mit Radius R C.-E. Wulz27 Gravitation und Extradimensionen

28 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011 Wenn die Gravitation bei kleinen Distanzen stark wird, kann der LHC auch (Mini-) Schwarze Löcher (Ø 10 -18 m) produzieren! Sie sollten jedoch durch quantenmechanische Effekte sehr schnell (~10 -35 s) verdampfen (Hawking-Strahlung), unter Erzeugung aller möglichen Standardmodellteilchen. Bisher wurden jedoch keine Schwarzen Löcher gefunden. Schwarze Löcher C.-E. Wulz28HighHeels@HighEnd, Okt. 2011

29 Zusammenfassung In den letzten Jahrzehnten wurde das Verständnis der Physik entscheidend verbessert. Jedoch …. viele Antworten auf fundamentale Fragen fehlen noch! Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie müssen gemeinsam zu ihrer Beantwortung beitragen. Der Large Hadron Collider ist ein wichtiges Werkzeug. Die Entdeckungsphase hat bereits begonnen. C.-E. Wulz29


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