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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 Masterclasses - Frank Seifert

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

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

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

6 Aufbau der Materie – Das Standardmodell Masterclasses - Frank Seifert

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 Sichtbare Materie El. Ladung +2/3 -1/ Masterclasses - Frank Seifert

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

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

16 Projektil: Tennisbälle Masterclasses - Frank Seifert

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

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

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

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

23 Bilder vom LHC 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 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 Allgemein: – Kraftwirkung zwischen Teilchen – Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion Die 4 Kräfte - Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen 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 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 Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlun g, Molekülbindunge n Die 4 Kräfte Masterclasses - Frank Seifert

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

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

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

34 Scientific American, 1997 Die Massen der Elementarteilchen 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 - Z 0, am besten wenn 2E e =m Z c 2 m Z 2E e Masterclasses - Frank Seifert

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

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

41 Detektorverhalten Teilchen-Jet 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 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 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 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 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 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 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 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 Masterclasses - Frank Seifert

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

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

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

59 Die Bedeutung der Teilchenmassen Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-QuarkmasseKleinere Elektronmasse Kleinere W-Masse 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! 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 frühes Universum: Temperatur K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV alle Teilchen kollidieren unkontrolliert gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV 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 Masterclasses - Frank Seifert

65 Ein Blick in den Tunnel Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu – Strukturen und Abständen von Metern – Massen auf der Teraskala (E = mc 2 = 1TeV) – Entwicklung des Universums nach dem Urknall von 0, s bis 0, s 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: wie e, nur 200x schwerer mehrere Teilchen-Familien! Masterclasses - Frank Seifert

67 Die 4 Detektoren am LHC Masterclasses - Frank Seifert


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