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Programm 09.30 – 09.50: Begrüßung und Umfrage 09.50 – 11.30: Vorträge Ein Universum voller Teilchen Einführung in die Teilchenphysik Das Unsichtbare sichtbar.

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1 Programm – 09.50: Begrüßung und Umfrage – 11.30: Vorträge Ein Universum voller Teilchen Einführung in die Teilchenphysik Das Unsichtbare sichtbar machen Detektoren und Wechselwirkung von Teilchen mit Materie – 12.00: Pause (Mittagessen) – 14.00: PC-Übung und Auswertung Einführung in die PC-Übung PC-Übung Auswertung – 14.10: Pause – 15.30: Abschlussvortagr, Quiz und Umfrage

2 Ein Universum voller Teilchen Einführung in die Teilchenphysik Martin Mamach

3 Motivation Warum?

4 Motivation

5 Was?

6 Motivation Kollisionen Maschine

7 Motivation Alle uns bekannten Bausteine

8 Motivation Alle uns bekannten Bausteine 4%

9 Motivation Kräfte

10 Motivation Kräfte

11 Motivation Kräfte

12 Motivation Kräfte

13 Motivation Freude und Begeisterung

14 Motivation Freude und Begeisterung... Begründung für 174 Millionen Euro (2010)

15 Motivation Grundlagen der Physik der Elementarteilchen und von Detektoren Teilchenzoo des Standardmodels Arbeitsweise von Beschleunigern Themen aktueller Forschung (Gelehrt ab dem 5. Semester des Physikstudiums) Verständnis wissenschaftlicher Arbeit Womit und wie werden Teilchen erkannt Datenanalyse mit echten Daten Superlative in der modernen Physik CERN Andere Teilchen- und Astroteilchenphysik

16 Motivation

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20 Motivation - Spielregeln Ihr fragt etwas Interesse am Thema Ausführlichere Erklärung Wir fragen etwas Zum Nachdenken anregen Probleme?

21 Motivation - Spielregeln Ihr fragt etwas Interesse am Thema Ausführlichere Erklärung Wir fragen etwas Zum Nachdenken anregen Probleme? Mitarbeit verbessert es für beide Seiten

22 Motivation - Spielregeln Ihr fragt etwas Interesse am Thema Ausführlichere Erklärung Wir fragen etwas Zum Nachdenken anregen Probleme? Mitarbeit verbessert es für beide Seiten Es gibt keine dummen Fragen! Schätzen ist die Aufforderung etwas falschen zu sagen!

23 Ein Universum voller Teilchen Einführung in die Teilchenphysik Martin Mamach

24 Aller Anfang … In ca. 6 Gruppen teilen Jede Gruppe bekommt 14 Ereignisse Woran oder wodurch können wir die Ereignisse unterscheiden ? Bsp.: Anzahl der Richtungen in welche die Spuren fliegen.

25 Spurensuche Bevor wir die Spuren untersuchen und verstehen können müssen wir wissen, womit wir es zu tun hat.

26 Aufbau der Materie Stecknadelkopf: m = 0,001m Elektron, Quark: < m = 0, m m Proton m Molekül m Atomkern < m Quark, m Atom 1/ /10 ~ 0,01 m Kristall 1/ /10 1/1.000 Elektron

27 Andere Einheiten Größe: 1 fm = 1 Femtometer (Fermi) = m (1 µm = fm) Energie: 1 eV = 1 Elektronvolt = 1.6 * J (eine Ladung auf einem Meter bei 1 V Spannung) 1 GeV: viel für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0, Sekunden zum Leuchten bringen

28 Andere Einheiten Größe: 1 fm = 1 Femtometer (Fermi) = m (1 µm = fm) Energie: 1 eV = 1 Elektronvolt = 1.6 * J (eine Ladung auf einem Meter bei 1 V Spannung) Masse via e = mc -2 : 1 eV = 1.78 * kg ( Protonmasse = 938 MeV 1 GeV)

29 Streuversuche: Unsichtbares Sichtbar machen E.Rutherford : Struktur der Atome durch Streuversuche

30 Von Beschleunigern zu Collider Ein Beschleuniger lenkt einen Strahl von beschleunigten Teilchen auf ein festes Ziel. Collider – zwei kombinierte Beschleuniger: Zwei Teilchenstrahlen werden beschleunigt und zur Kollision gebracht: Größere Energien werden erreicht.

31 Arten von Experimenten Elektron-Positron -Collider: Präzisionsmessungen LEP, CERN in Genf bis 2000 (bis 105 GeV pro Strahl) ILC (International Linear Collider) ab 2015(?) Elektron-Proton -Collider: Substrukturmessungen HERA, DESY in Hamburg, bis 2007 (e: 30 GeV, p: 920 GeV) Hadron-Hadron -Collider: Enteckungsmaschienen TEVATRON, FERMILAB in Chicago, bis 2009 (900 GeV pro Strahl) LHC, CERN in Genf (Proton-Proton) seit 2009 (7000 GeV pro Strahl)

32 Wozu mehr Power? Teilchenstrahlen höchster Energie notwendig, denn mit steigender Energie E (bzw. Impuls p ) der Projektile steigt die Fähigkeit, kleine Strukturen x zu erkennen x p = ħ (Heisenberg) die Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen E = mc 2 (Einstein)

33 Wie beschleunigt man Teilchen?

34 Nur Verwendung geladene Teilchen

35 Wie beschleunigt man Teilchen? Nur Verwendung geladene Teilchen ( elektrisch ) Mit einem elektrischen Feld

36 Wie beschleunigt man Teilchen? Nur Verwendung geladene Teilchen ( elektrisch ) Mit einem elektrischen Feld

37 Teilchenbahn magnetisches Feld Wie lenkt man ein Teilchen? Mit einem Magnetfeld sehr starke Magnetfelder notwendig: o hoher Stromverbrauch o nur möglich mit supraleitenden Magneten

38 Verschiedene Arten von Beschleunigern Linearbeschleuniger:Speicherring: Funktionsprinzip:

39 Notwendige Zubehör: Teilchenbeschleuniger

40 Notwendige Zubehör: Teilchenbeschleuniger Datennehmer: Detektor Zielobjekt: Physik

41 Grundkräfte 4 bekannte Grundkräfte

42 Grundkräfte 4 bekannte Grundkräfte Austauschteilchen sind die Quanten der Kraftfelder

43 Grundkräfte Elektromagnetische Kraft bekannteste aller Kräfte: elektrische und magnetische Phänomene Botenteilchen: Photon γ

44 Eigenschaft der starken Kraft: - die notwendige Energie zum separieren von Quarks wächst mit dem Abstand (Analogie: Federkraft) - Gluonen tragen Farbladung und koppeln aneinander Grundkräfte Starke Kraft - Quantenchronodynamik Quarks erscheinen nur im Verband (Bsp Proton = |uud>, Neutron = |ddu>) Quarks erscheinen frei beweglich im Verband Grund: Farbneutral 3 Ladungen: rot, grün, blau

45 Grundkräfte Schwache Kraft

46 Grundkräfte Schwache Kraft Eigenschaften durch Theorie und andere Experimente gut vorhergesagt/bestimmt Später selber bestimmen

47 Bausteine der Materie Strukturlose, fundamentale Teilchen : Alle Leptonen Teilchen mit innerer Struktur : Proton, Neutron,…. aufgebaut aus Quarks Stabile Materie: ???

48 Bausteine der Materie Strukturlose, fundamentale Teilchen : Alle Leptonen Teilchen mit innerer Struktur : Proton, Neutron,…. aufgebaut aus Quarks Stabile Materie: up- und down-Quark, Elektronen

49 Das Standard-Modell der Teilchenphysik Sehr erfolgreiches Modell: Bisher in allen experimentellen Tests gut bestätigt Noch nicht entdeckt, aber schon Hinweise gefunden: Higgs-Boson erklärt, wie Teilchen Masse bekommen

50 Offene Fragen Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:

51 Offene Fragen Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen: Woher kommt die Masse ( Higgs-Teilchen )? Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende Antimaterie ( CP-Verletzung )?

52 Offene Fragen Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen: Woher kommt die Masse ( Higgs-Teilchen )? Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende Antimaterie ( CP-Verletzung )? Gibt es eine fundamentale Kraft ? Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde? Gibt es zusätzliche Dimensionen ?

53 Offene Fragen Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen: Woher kommt die Masse ( Higgs-Teilchen )? Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende Antimaterie ( CP-Verletzung )? Gibt es eine fundamentale Kraft ? Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde? Gibt es zusätzliche Dimensionen ? Kennen wir alle Teilchen ( Supersymmetrie, 4. Generation )? Wir kennen nur einen kleinen Teil des Universums ( Dunkle Materie und dunkle Energie )!

54 Offene Fragen Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen: Woher kommt die Masse ( Higgs-Teilchen )? Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende Antimaterie ( CP-Verletzung )? Gibt es eine fundamentale Kraft ? Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde? Gibt es zusätzliche Dimensionen ? Kennen wir alle Teilchen ( Supersymmetrie, 4. Generation )? Wir kennen nur einen kleinen Teil des Universums ( Dunkle Materie und dunkle Energie )! LHC mit ATLAS, CMS, ALICE und LHCb

55 Notwendige Zubehör: Teilchenbeschleuniger Datennehmer: Detektor Zielobjekt: Physik


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