Masterclasses Hands-on Particle Physics

Präsentation zum Thema: "Masterclasses Hands-on Particle Physics"—  Präsentation transkript:

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

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

3 Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09
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4 Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik?
Einführung Elementarteilchen Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik? Zum Aufbau der Welt? Zum Universum? Masterclasses - Frank Seifert

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

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

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

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

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

11 Woher weiß man das? Masterclasses - Frank Seifert

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

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

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

16 Projektil: Tennisbälle
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17 Projektil: Murmeln ...Nichts wie weg ! 25.10.2010
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18 Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger
Habt ihr auch daheim! Funktionsprinzip: Linearbeschleuniger: DESY (Hamburg) Masterclasses - Frank Seifert

19 Bis 2000: e-e+ bei LEP (CERN)
Strahlenergie Ee= GeV Masterclasses - Frank Seifert

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

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

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

23 Bilder vom LHC Masterclasses - Frank Seifert

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

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

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

30 Die 4 Kräfte 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Masterclasses - Frank Seifert

31 Die 4 Kräfte 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Masterclasses - Frank Seifert

32 Die 4 Kräfte 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Kernzerfälle, Radioaktivität, Masterclasses - Frank Seifert

33 Die 4 Kräfte ? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Kernzerfälle, Radioaktivität, Kosmos, Planetensysteme, Galaxien ? Masterclasses - Frank Seifert

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

35 Woher kommen die Teilchenmassen?
Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich. Großer Forschungsschwerpunkt am LHC! 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-  Z0 , am besten wenn 2Ee=mZc2 mZ Ee Masterclasses - Frank Seifert

37 Z “Zerfälle“ Das Z Teilchen ist nicht stabil
Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere Teilchen um Z0 e+e- +- +- qq  e+ e- Z Z0 Zeit Masterclasses - Frank Seifert

38 Zerfallskanäle Aufgabe für danach!
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 Z0 e+e- +- +- qq  Aufgabe für danach! Masterclasses - Frank Seifert

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

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

41 Detektorverhalten „Teilchen-Jet” 25.10.2010
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42 Zusammenfassung Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren Hadronen Pion Myon 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
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45 Für die ganz Neugierigen
BACKUP

46 1) Elektromagnetische Kraft
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Trägt selbst keine Ladung Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r2 ab) Koppelt an elektrische Ladung Masterclasses - Frank Seifert

47 1) Elektromagnetische Kraft
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Trägt selbst keine Ladung Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r2 ab) Koppelt an elektrische Ladung Ein Ladungstyp mit zwei Zuständen: Ladung und Antiladung “plus” “minus” Ladung 0 Masterclasses - Frank Seifert

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

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

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

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

52 Drei Ladungstypen Rot + Antirot
2) Starke Kraft Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau Beispiel: Proton Masterclasses - Frank Seifert

53 Drei Ladungstypen Rot + Antirot
2) Starke Kraft Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau Proton Farbneutral Masterclasses - Frank Seifert

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

55 3) Schwache Kraft W+, W- und Z0 Boson Hohe Masse (80 – 90 GeV)
Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion W+, W- und Z0 Boson Hohe Masse (80 – 90 GeV) Tragen selbst schwache Ladung Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen Masterclasses - Frank Seifert

56 3) Schwache Kraft W+, W- und Z0 Boson z.B. Betazerfall:
Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion W+, W- und Z0 Boson Hohe Masse (80 – 90 GeV) Tragen selbst schwache Ladung Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen Ein Ladungstyp: I3 Tragen alle Bausteinteilchen z.B. Betazerfall: Masterclasses - Frank Seifert

57 3) Schwache Kraft W+, W- und Z0 Boson
Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion W+, W- und Z0 Boson Hohe Masse (80 – 90 GeV) Tragen selbst schwache Ladung Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen Ein Ladungstyp: I3 Tragen alle Bausteinteilchen Unterdrückung der effektiven Kopplung z.B. Betazerfall: Masterclasses - Frank Seifert

58 Die Bedeutung der Teilchenmassen
Ändern von mu ,md oder me hätte kaum Effekt auf Atommassen kaum Effekt auf Materiedichte riesigen Effekt auf Verhalten der Materie Erniedrige mW auf die Hälfte Sonne brennt viel zu schnell f. Evolution d. Lebens Erniedrige md – me um 1 MeV/c2 ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2 Proton- und Deuteriumzerfall Keine Sterne nur neutrale Teilchen (n, ...) Masterclasses - Frank Seifert

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

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

63 Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV
frühes Universum: Temperatur 1015 K  Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV alle Teilchen kollidieren unkontrolliert gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung 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: << 1 fm  Energie >> 0,2 GeV Resultat: 1 fm Masterclasses - Frank Seifert

65 Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu
Ein Blick in den Tunnel Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu Strukturen und Abständen von Metern Massen auf der Teraskala (E = mc2 = 1TeV) Entwicklung des Universums nach dem Urknall von 0, s bis 0, s Masterclasses - Frank Seifert

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

67 Die 4 Detektoren am LHC Masterclasses - Frank Seifert