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Masterclasses Hands-on Particle Physics -Technische Universität Dresden - Montag, 25. Dezember 2010 Betreuer:Frank Seifert, Anne Glück Tutorin:Friederike.

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1 Masterclasses Hands-on Particle Physics -Technische Universität Dresden - Montag, 25. Dezember 2010 Betreuer:Frank Seifert, Anne Glück Tutorin:Friederike Krüger Vorbereitung: Luise Kahnt 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

2 11.10 – 14.10 Uhr Einführung 12.20 – 13.20 Uhr Pause und Fragen 14.10 – 15.10 Uhr Datenanalyse 15.10 – 15.30 Uhr Auswertung und Quiz Ablauf des Tages 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

3 Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

4 Einführung Elementarteilchen Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik? Zum Aufbau der Welt? Zum Universum? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

5 Warum Elementarteilchenphysik?? Welches sind die kleinsten Bausteine (fundamentalen Teilchen)? Welche Kräfte halten alles zusammen? Gibt es eine einfache, einheitliche Beschreibung für das Ganze? Woraus bestehen wir und unsere Welt? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

6 Aufbau der Materie – Das Standardmodell 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

7 Aufbau der Materie – Das Standardmodell Sichtbare Materie - 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

8 Aufbau der Materie – Das Standardmodell Sichtbare Materie - - - 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

9 Aufbau der Materie – Das Standardmodell Sichtbare Materie - - - El. Ladung +2/3 -1/3 0 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

10 Aufbau der Materie – Das Standardmodell Sichtbare Materie - - - El. Ladung +2/3 -1/3 0 + + + El. Ladung -2/3 +1/3 0 +1 Antimaterie 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

11 Woher weiß man das? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

12 Nützliche Einheiten für Teilchen Größe: 1 fm = 1 Femtometer (Fermi) = 10 -15 m (1 mm = 1.000.000.000.000 fm) Energie: 1 ElektronVolt = 1eV 1 GeV: viel für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

13 Teilchenphysik = Hochenergiephysik? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

14 Sehen = Abbilden Abbilden = Struktur auflösen (funktioniert auch ohne Licht!) Teilchenbeschleuniger als Mikroskope Auflösungsvermögen : Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Projektilgröße << Größe der Strukturen Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV) Beispiel: 0,2 µm bei E = 1 eV 200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV 0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV >0,15µm 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

15 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

16 Projektil: Tennisbälle 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

17 Projektil: Murmeln...Nichts wie weg ! 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

18 Habt ihr auch daheim! Funktionsprinzip: Linearbeschleuniger: DESY (Hamburg) Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

19 Bis 2000: e - e + bei LEP (CERN) Strahlenergie E e = 40-100 GeV 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

20 Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren Elektronische Bilder CERN, Genf, bis 2000 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

21 Die nächste Generation: Der Large Hadron Collider LHC Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

22 LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

23 Bilder vom LHC 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

24 170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern TU Dresden: ATLAS Experiment Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

25 Ziele: Suche nach Neuem Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?) Supersymmetrie (Dunkle Materie?) nur 5% des Weltalls ist normale Materie zusätzliche Raumdimensionen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

26 Zusammenfassung Bausteine Fundamentale Bausteine der Materie: – Alle punktförmig Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

27 Allgemein: – Kraftwirkung zwischen Teilchen – Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion Die 4 Kräfte - Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen - 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

28 Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen AbstoßendAbstoßend AnziehendAnziehend 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

29 Was ist eigentlich eine Ladung? Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens Additiv: Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

30 Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlun g, Molekülbindunge n Die 4 Kräfte 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

31 Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlun g, Molekülbindunge n Die 4 Kräfte Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

32 Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlun g, Molekülbindunge n Die 4 Kräfte Kernzerfälle, Radioaktivität, Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

33 Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlun g, Molekülbindunge n Die 4 Kräfte Kernzerfälle, Radioaktivität, Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Kosmos, Planetensystem e, Galaxien ? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

34 Scientific American, 1997 Die Massen der Elementarteilchen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

35 Woher kommen die Teilchenmassen? Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich. Großer Forschungsschwerpunkt am LHC! 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

36 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 vernichten, z.B. e + + e - Z 0, am besten wenn 2E e =m Z c 2 m Z 2E e 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

37 Z Zerfälle Das Z Teilchen ist nicht stabil Wandelt sich nach 3x10 -25 s (!) in andere Teilchen um Z0Z0 e+e- + - qq Zeit Z 0 e+e-e+e- 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

38 Zerfallskanäle Löcher entsprechen Zerfallskanälen Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht vorhersagbar Für einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar Entleerungsdauer ~ absolute Größe der Löcher Zerfallsdauer ~ Stärke der Kopplungen an Teilchenpaare Ergebnis: Schwache Wechselwirkung gar nicht so schwach! Verhältnis der Austrittsmengen ~ Größenvergleich der Löcher Verhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten ~ Größenvergleich der Kopplungen Z0Z0 e+e- + - qq Aufgabe für danach! 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

39 Ergebnisse hochaktuell Veröffentlicht in Physics Reports, Mai 2006 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

40 Teilchenidentifikation = Detektivarbeit feststellbare Teilcheneigenschaften: – aus Quarks (Hadronen) – elektr. geladen / ungeladen – leicht / schwer Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

41 Detektorverhalten Teilchen-Jet 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

42 Zusammenfassung Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren Hadronen Pion Myon 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

43 Schnitt durch einen Sektor des CMS Detektors Teilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen Press escape to exit

44 Zusammenhang mit Entwicklung des Universums 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

45 Für die ganz Neugierigen BACKUP

46 1) Elektromagnetische Kraft Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlun g, Molekülbindunge n Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Trägt selbst keine Ladung Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r 2 ab) Koppelt an elektrische Ladung 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

47 Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Trägt selbst keine Ladung Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r 2 ab) Koppelt an elektrische Ladung 1) Elektromagnetische Kraft Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlun g, Molekülbindunge n Ein Ladungstypmit zwei Zuständen: Ladung und Antiladung plus minus + - Ladung 0 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

48 Quarkbindunge n, Formung Atomkerne, Kernfusion 2) Starke Kraft Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Koppelt an starke Farbladung Trägt selbst starke Ladung Sehr kurze Reichweite durch Gluon- Selbstkopplung 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

49 Quarkbindunge n, Formung Atomkerne, Kernfusion 2) Starke Kraft Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Koppelt an starke Farbladung Trägt selbst starke Ladung Sehr kurze Reichweite durch Gluon- Selbstkopplung Drei LadungstypenRot+ Antirot Grün+ Antigrün Blau+ Antiblau 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

50 Quarkbindunge n, Formung Atomkerne, Kernfusion 2) Starke Kraft Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Koppelt an starke Farbladung Trägt selbst starke Ladung Sehr kurze Reichweite durch Gluon- Selbstkopplung Drei LadungstypenRot+ Antirot Grün+ Antigrün Blau+ Antiblau 0 0 0 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

51 Quarkbindunge n, Formung Atomkerne, Kernfusion 2) Starke Kraft Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Koppelt an starke Farbladung Trägt selbst starke Ladung Sehr kurze Reichweite durch Gluon- Selbstkopplung Drei LadungstypenRot+ Antirot Grün+ Antigrün Blau+ Antiblau 0 0 0 0 0 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

52 2) Starke Kraft Beispiel: Proton Drei LadungstypenRot+ Antirot Grün+ Antigrün Blau+ Antiblau 0 0 0 0 0 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

53 2) Starke Kraft Proton Farbneutral Drei LadungstypenRot+ Antirot Grün+ Antigrün Blau+ Antiblau 0 0 0 0 0 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

54 2) Starke Kraft Proton Farbneutral +2/3 -1/3 Elektrische Ladung = +1 Drei LadungstypenRot+ Antirot Grün+ Antigrün Blau+ Antiblau 0 0 0 0 0 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

55 3) Schwache Kraft Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoprodukti on W +, W - und Z 0 Boson Hohe Masse (80 – 90 GeV) Tragen selbst schwache Ladung Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

56 3) Schwache Kraft Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoprodukti on Ein Ladungstyp: I 3 Tragen alle Bausteinteilchen z.B. Betazerfall: W +, W - und Z 0 Boson Hohe Masse (80 – 90 GeV) Tragen selbst schwache Ladung Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

57 3) Schwache Kraft W +, W - und Z 0 Boson Hohe Masse (80 – 90 GeV) Tragen selbst schwache Ladung Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoprodukti on Unterdrückung der effektiven Kopplung Ein Ladungstyp: I 3 Tragen alle Bausteinteilchen z.B. Betazerfall: 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

58 Ändern von m u,m d oder m e hätte – kaum Effekt auf Atommassen – kaum Effekt auf Materiedichte – riesigen Effekt auf Verhalten der Materie Erniedrige m W auf die Hälfte – Sonne brennt viel zu schnell f. Evolution d. Lebens Erniedrige m d – m e um 1 MeV/c 2 – ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs – keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige m d – m u um 2 MeV/c 2 – Proton- und Deuteriumzerfall – Keine Sterne – nur neutrale Teilchen (n,...) Die Bedeutung der Teilchenmassen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

59 Die Bedeutung der Teilchenmassen Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-QuarkmasseKleinere Elektronmasse Kleinere W-Masse 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

60 Die Bedeutung der Teilchenmassen Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-QuarkmasseKleinere Elektronmasse Kleinere W-Masse Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich. Großer Forschungsschwerpunkt am LHC! 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

61 Auf der Suche nach der Weltformel heutige experimentelle Grenze Fortschritt der Physik Zurück zum Urknall

62 Einzelne Quarks ergeben Hadronen Jets e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e ¯ p 800 GeV 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

63 frühes Universum: Temperatur 10 15 K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV alle Teilchen kollidieren unkontrolliert gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

64 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: > 0,2 GeV Resultat: 1 fm 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

65 Ein Blick in den Tunnel Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu – Strukturen und Abständen von 10 -19 Metern – Massen auf der Teraskala (E = mc 2 = 1TeV) – Entwicklung des Universums nach dem Urknall von 0,000.000.000.001 s bis 0,000.01 s 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

66 primäres Teilchen trifft auf Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe Atmosphär e e e Fuji 3776 m n p p, He,... e Entdeckt: 1937-1947 wie e, nur 200x schwerer mehrere Teilchen-Familien! 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

67 Die 4 Detektoren am LHC 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert


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