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Masterclasses Hands-on Particle Physics - Technische Universität Dresden - Montag, 21. Juni 2010 21.06.2010Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe,

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1 Masterclasses Hands-on Particle Physics - Technische Universität Dresden - Montag, 21. Juni Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

2 08.30 – Uhr Einführung – Uhr Pause und Fragen – Uhr Datenanalyse – Uhr Auswertung Ablauf des Tages Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

3 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am

4 Einführung Elementarteilchen Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik? Zum Aufbau der Welt? Zum Universum? Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

6 Aufbau der Materie – Das Standardmodell Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

7 Aufbau der Materie – Das Standardmodell Sichtbare Materie Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

8 Aufbau der Materie – Das Standardmodell Sichtbare Materie Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

9 Aufbau der Materie – Das Standardmodell Sichtbare Materie El. Ladung +2/3 -1/ Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

10 Aufbau der Materie – Das Standardmodell Sichtbare Materie El. Ladung +2/3 -1/ El. Ladung -2/3 +1/ Antimaterie Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

11 Woher weiß man das? Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

13 Teilchenphysik = Hochenergiephysik? Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

15 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

16 Projektil: Tennisbälle Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

17 Projektil: Murmeln...Nichts wie weg ! Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

18 Habt ihr auch daheim! Funktionsprinzip: Linearbeschleuniger: DESY (Hamburg) Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

19 Bis 2000: e - e + bei LEP (CERN) Strahlenergie E e = GeV Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

20 Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren Elektronische Bilder CERN, Genf, bis Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

21 Die nächste Generation: Der Large Hadron Collider LHC Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

23 Bilder vom LHC Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

26 Zusammenfassung Bausteine Fundamentale Bausteine der Materie: – Alle punktförmig Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ? Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

27 Allgemein: – Kraftwirkung zwischen Teilchen – Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Die 4 Kräfte - Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen -

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

30 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlun g, Molekülbindunge n Die 4 Kräfte

31 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlun g, Molekülbindunge n Die 4 Kräfte Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion

32 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlun g, Molekülbindunge n Die 4 Kräfte Kernzerfälle, Radioaktivität, Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion

33 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlun g, Molekülbindunge n Die 4 Kräfte Kernzerfälle, Radioaktivität, Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Kosmos, Planetensystem e, Galaxien ?

34 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow 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

35 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow 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

36 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow 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

37 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow 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

38 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow 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

39 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow 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

40 2) Starke Kraft Beispiel: Proton Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Drei LadungstypenRot+ Antirot Grün+ Antigrün Blau+ Antiblau

41 2) Starke Kraft Proton Farbneutral Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Drei LadungstypenRot+ Antirot Grün+ Antigrün Blau+ Antiblau

42 2) Starke Kraft Proton Farbneutral +2/3 -1/3 Elektrische Ladung = Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Drei LadungstypenRot+ Antirot Grün+ Antigrün Blau+ Antiblau

43 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow 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

44 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow 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

45 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow 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:

46 Scientific American, Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Die Massen der Elementarteilchen

47 Woher kommen die Teilchenmassen? Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich. Großer Forschungsschwerpunkt am LHC!

48 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow 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

49 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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

50 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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

51 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Ergebnisse hochaktuell Veröffentlicht in Physics Reports, Mai 2006

52 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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

53 Detektorverhalten Teilchen-Jet Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

54 Zusammenfassung Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren Hadronen Pion Myon Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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

56 Zusammenhang mit Entwicklung des Universums Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

57 Für die ganz Neugierigen BACKUP

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

59 Die Bedeutung der Teilchenmassen Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-QuarkmasseKleinere Elektronmasse Kleinere W-Masse

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

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

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, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

67 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow Die 4 Detektoren am LHC


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