Überblick (1) Was sind Elementarteilchen ? Die ersten Teilchen

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1 Überblick (1) Was sind Elementarteilchen ? Die ersten Teilchen
historischer Überblick Einige Formeln Dirac-Gleichung Relativistische Kinematik gebräuchliche Einheiten in der Teilchenphysik Das Standardmodell Detektoren Beschleuniger Elementarteilchenphysik wird oft auch als Hochenergiephysik bezeichnet, da die meisten Teilchen erst bei höheren Energien sichtbar werden oder überhaupt erst durch höhere Energien erzeugt werden. erste philosophische Überlegungen zu Elementarteilchen bereits bei den alten Griechen (ἄτομος – das Unteilbare, von τέμνω schneiden; heute noch in gewissem Sinn gültig: Atome sind mit chemischen Mitteln unteilbar)

2 Überblick (2) experimentelle Bausteine des Standardmodells
das magnetische Moment der Leptonen Teilchenphysik und Kosmologie fundamentale Symmetrien und deren Verletzung Paritätsverletzung CP-Verletzung weitere Teilchen charm: J/ψ beauty (bottom): Υ (“upsilon”) τ Eichbosonen der elektroschwachen Wechselwirkung: W und Z top Neutrino-Oszillationen jenseits des Standardmodells wie geht es weiter? Higgs - das fehlende Glied Supersymmetrie Gravitationswellen Natürlich handelt es sich hier nur um eine Auswahl - alle bedeutenden Experimente der Teilchenphysik auch nur aufzuzählen, würde den Rahmen einer Einführungsvorlesung sprengen.

3 e- Das Elektron Thomson 1897
Beginn der modern-naturwissenschaftlichen Geschichte der Elementarteilchen mit Entdeckung des Elektrons als Teilchen durch Thomson Das Elektron ist bis heute ein elementares Teilchen, seine Ausdehnung liegt unterhalb jeder Messbarkei, es hat höchstens ein Millionstel der Größe eines Atoms klassisches Experiment: Messung der spezifischen Ladung; stellt sich als überraschend groß heraus  sehr kleine Masse des Elektrons im Vergleich zu den aus der Chemie bekannten Molekülmassen Analogie TV  Beschleuniger J.J. (Joseph John) Thomson: Entdeckung Kathodenstrahlen 1897 Nobelpreis 1906 „das Elektron ist ein Teilchen“ George Page Thomson (Sohn von J.J.): Nobelpreis 1937: Elektron verhält sich wie Welle Bohrsches Atommodell 1913: Elektronen verhalten sich NICHT wie klassischeTeilchen! --> spätere Entwicklung: Quantenmechanik! 1897

4 e- p Das Proton 1914 Rutherford 1897 1900-1924
Suche nach dem „fehlenden“ Teilchen in Materie, das den Großteil der Masse trägt und positiv geladen sein muss, um die negative Ladung des Elektrons auszugleichen Modellvorstellung: Elektronen und hypothetische positive Teilchen gleichförmig in Materie verteilt (plum-pudding model) klassisches Experiment von Rutherford (Geiger-Marsden-Experiment, 1909): Beschuss einer Goldfolie mit a-Teilchen (schwer, daher unbeeinflusst von Elektronen); überraschendes Ergebnis: Materie besteht großteils aus leerem Raum, positive Ladung und Hauptanteil der Masse in extrem kleinen Bereich konzentriert  Atomkern, Rutherford‘sches Atommodell positives Teilchen im Atomkern des Wasserstoffatoms wird als Proton bezeichnet 1914 1897

5 klassisches Experiment von Rutherford (Geiger-Marsden-Experiment, 1909)

6 Das “Plum-Pudding-Modell” von Compton wurde durch das Rutherfordsche Modell ersetzt: die Materie besteht zum Großteil aus freiem Raum.

7 e- p g Das Photon 1900-1924 Planck Einstein Compton 1897
Photon – das Lichtteilchen – wurde quasi „wieder entdeckt“: ursprünglich gab es Teilchen-Theorien des Lichts (Newton) später wurden diese zugunsten der Wellentheorie aufgegeben, da nur so die Interferenz- und Beugungseffekte verstanden werden konnten Planck führte aber 1900 (widerwillig) die Idee einer „Quantisierung“ der Lichtenergie ein, um die Strahlung heißer Körper verstehen zu können Einstein verallgemeinerte diese Idee zum Postulat eines Lichtquants, genannt Photon, mit dem er den photoelektrischen Effekt erklären konnte (Nobelpreis) Compton gelang 1924 der Nachweis, dass sich Photonen beim Zusammenstoß mit Elektronen tatsächlich wie Teilchen („Billiardkugeln“) verhalten (Nobelpreis 1927) Etablierung der Quantentheorie, wonach Wellen immer auch Teilcheneigenschaften besitzen, und umgekehrt (Dualismus) Compton 1897

8 e- g n Das Neutron p 1932 Chadwick 1914 1897 1900-1924
aus der Chemie bekannte Atommassen zeigen, dass es im Atomkern noch weitere, neutrale Teilchen geben muss (Beispiel: He hat zwei Elektronen, folglich zwei Protonen im Kern, aber vierfache Atommasse als Wasserstoff mit einem Proton) Nachweis dieses neutralen Teilchens gelang Chadwick durch Beschuss von Beryllium mit a-Teilchen (1932), wodurch unter Abstrahlung eben dieses neutralen Teilchens – des Neutrons - eine Umwandlung in Kohlenstoff erfolgte (Nobelpreis 1935) Was für andere Kräfte sind da im Spiel?  Welche Kraft hält Protonen und Neutronen zusammen? Fundamental andere Wechselwirkung: „starke Kraft“ 1932 1897 1914

9 Das Positron (Antimaterie) p n
g e+ Das Positron (Antimaterie) p n Anderson die aus vielen Science-Fiction Geschichten bekannte Antimaterie wurde ebenfalls zuerst theoretisch vorhergesagt: Dirac bekam beim Versuch, eine Wellengleichung des Elektrons zu finden ( Quantentheorie), auf eine 2. Lösung dieser Gleichung, die einem „Spiegelbild“ des Elektrons entsprach, mit positiver Ladung Zwischeninterpretation: Löchertheorie dieses „Antiteilchen“ wurde als Positron bezeichnet, und tatsächlich von Anderson 1932 experimentell bestätigt (Höhenstrahlung in Nebelkammer; danach Gammastrahlung auf Thorium-Karbid geschossen --> Paarbildungö Nobelpreis 1936) nach und nach wurden auch zu anderen Teilchen die entsprechenden Antiteilchen gefunden – nach heutigem Wissen gibt es prinzipiell zu jedem Teilchen ein Antiteilchen (allerdings können Teilchen ihre eigenen Antiteilchen sein, wie das Photon) „Minderheitenproblem“: wo ist die Antimaterie im Universum? siehe auch später (CP-Verletzungs-Experimente) heutzutage kann man Antimaterie erzeugen und Tage lang speichern Dirac 1932 1897 1914 1947 1937

10 Kosmische Strahlung: 1912 vom Österreicher Viktor Hess entdeckt (1936 Nobelpreis)
Victor Hess stellte bei Ballonflügen fest, dass die natürliche radioaktive Strahlung bei größerer Höhe zunimmt. Dies war eher unerwartet, da man vorher terrestrische Quellen dafür vermutet hatte. Die Messung erfolgte mit einem Elektrometer.

11 Niederenergetische kosmische Teilchen werden von der Atmosphäre absorbiert und sind nur mit Satelliten oder hochfliegenden Ballonen (Stratosphärenballonen) nachweisbar. Teilchen höherer Energie führen zu Schauern in der Atmosphäre, von denen Cherenkov-Licht zum Boden gelangen kann (links) oder bei noch höherer Energie des Primärteilchens auch Sekundärteilchen die ganze Atmosphäre durchdringen können.

12 e- g µ Das Myon p n e+ 1937 Hess Anderson, Neddermeyer 1914 1932 1897
mit Elektron, Proton und Neutron waren alle Teilchen gefunden, die zum Verständnis des Aufbaus der Materie benötigt wurden überraschenderweise wurde trotzdem ein weiteres Teilchen in der kosmischen Strahlung entdeckt, das sich im wesentlichen wie ein schwereres Elektron verhält und als Myon bezeichnet wurde Das Myon passte überhaupt nicht ins Schema, „wozu brauchen wir das?“ die Existenz von Myonen auf der Erdoberfläche ist auch ein experimenteller Beweis der Relativitätstheorie (Zeitdilatation), da sie in den oberen Schichten der Atmosphäre erzeugt werden (durch kosmische hochenergetische Teilchen), und aufgrund ihrer Lebensdauer von nur ca. 2,2 Mikrosekunden selbst mit annähernd Lichtgeschwindigkeit nur einen guten halben Kilometer weit fliegen könnten, wenn ihre „Uhren“ aufgrund relativistischer Effekte nicht langsamer gingen das Myon wurde ursprünglich fälschlich als das theoretisch vorhergesagte Pion identifiziert 1937 1897 1914 1932

13 + - Einheiten e- Das Elektronenvolt (eV) 1V 1GeV = 1‘000‘000‘000 eV
Erklärung der Energieeinheit „Elektronenvolt“: jene Energie, die ein Elektron erfährt, wenn es in einem elektrischen Feld mit 1 Volt Spannung beschleunigt wird. Typische Einheit der Hochenergiephysik ist das Gigaelektronenvolt (GeV = 1 Milliarde eV), also der Energie, die ein Elektron bei einer Spannung von 1 Milliarde Volt (!) bekommen würde. Aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie („E=mc²“) kann GeV auch als Einheit für Masse verwendet werden Zum Vergleich: ein Proton hat die Masse von etwa 1 GeV, ein Elektron nur etwa ein zweitausendstel davon

14 e- g p Das Pion p n µ e+ 1947 Yukawa Powell 1937 1914 1932 1897
das Pion wurde interessanterweise zunächst theoretisch von Yukawa vorhergesagt, der es für seine Theorie einer starken Kraft brauchte, die den aus vielen positiv geladenen, und sich daher abstoßenden Protonen bestehenden Atomkern zusammenhalten sollte; die Masse des Pions konnte Yukawa recht genau aus seiner Theorie berechnen tatsächlich wurde ein Teilchen mit dieser Masse von Powell 1947 gefunden (Nobelpreis 1950; Yukawa: Nobelpreis 1949) historische Randbemerkung: zunächst wurde das zuvor besprochene Myon fälschlich für das hypothetische Pion gehalten, es wurde aber bald neben dem Myon das „richtige“ Pion gefunden. wichtiges Grundkonzept der Elementarteilchenphysik zeichnet sich hier ab: Kräfte sind keine „magische Fernwirkung“, sondern werden über Teilchen vermittelt 1947 1914 1937 1897 1932

15 e- g n Das Neutrino p n µ p e+ 1932 Pauli Reines 1947 1914 1937 1897
die Entdeckung des „Geisterteilchens“ Neutrino erfolgte auf sehr indirektem Weg: Wolfgang Pauli postulierte 1930 ein neues Teilchen, um den b-Zerfall zu erklären beim Prozess der radioaktiven b-Strahlung, bei der ein hochenergetisches Elektron aus dem Atomkern abgestrahlt wird, wurde nicht verstanden, warum die Energie dieses Elektrons stark schwankte, obwohl nach den Gesetzen von Energie- und Impulserhaltung die Energie immer dieselbe sein sollte (Vergleich: Geschwindigkeit einer Gewehrkugel hängt von der chemischen Energie des Schießpulvers ab und ist daher immer (ungefähr) gleich) zeitweise wurde sogar die Gültigkeit der Energieerhaltung in Frage gestellt Lösung des Rätsels war aber schlussendlich, dass neben dem Elektron noch ein weiteres Teilchen entsteht, das keine Ladung trägt, praktisch masselos ist, nur sehr schwach mit anderen Teilchen in Wechselwirkung tritt, und daher experimentell nur sehr schwer nachgewiesen werden kann – das Neutrino 1932 1947 1897 1914 1937

16 Erst durch aufwändige Experimente gelang später auch der direkte experimentelle Nachweis (erst 1959 nachgewiesen von Cowan, Reines et al., Nobelpreis für Reines: 1995) dies war nur durch Verwendung einer sehr starken Neutrinoquelle in Form eines Kernreaktors möglich auch heute noch kann man Neutrinos nur mit sehr geringer Effizienz (Nachweiswahrscheinlichkeit) beobachten, also wenige Ereignisse bei sehr starken Quellen (Reaktoren, Beschleuniger, Sonne) Von der Sonne kommen ständig große Mengen an Neutrinos auf die Erde, durchdringen diese aber in der Regel ohne eine einzige Wechselwirkung; nur ein kleiner Teil kann experimentell nachgewiesen werden

17 e- g Seltsame Teilchen p n µ p e+ n 1947-... L Rochester, Butler, ...
K Seltsame Teilchen p S n p e+ n Entdeckung „seltsamer“ Teilchen, die nicht in das bisher verstanden geglaubte Schema passten Prägung des Begriff „Teilchenzoos“ – eine überraschende Fülle von Elementarteilchen wurde experimentell gefunden, für die es keine „Notwendigkeit“ zu geben schien um die Alltagswelt zu verstehen (zu diesem Zeitpunkt waren sie nur in kosmischer Strahlung beobachtet worden, und für terrestrische Physik „überflüssig“) Rochester + Butler 1947, kosmische Strahlung in Nebelkammer: Λ --> p π ns KS --> π+π ns entstehen oft bei Zusammenstößen, zerfallen aber langsam! (Produktion über starke Wechselwirkung, Zerfall über schwache!) 1897 1914 1932 1947 1937

18 e- g p n µ p e+ n „I have heard it said that the finder
Willis Lamb drückte in seiner Nobelpreis-Ansprache1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus: e- g p „I have heard it said that the finder of a new elementary particle used to be rewarded by a Nobel Prize, but such a discovery now ought to be punished by a $10,000 fine.“ n Lamb p e+ n Zu Beginn der 60er Jahre bis zu 200 Teilchen identifiziert! Eine wichtige Aufgabe war die Klassifizierung all dieser Teilchen, um die Ordnungsprinzipien und Regeln dahinter zu erkennen Analogie zur Chemie (Periodensystem): eine Vielzahl unterschiedlicher Elemente wurden auf vier Grundelemente (Proton, Neutron, Elektron, Photon als Kraftteilchen) reduziert, aus denen alle Elemente aufgebaut sind. Es konnten sogar durch „Löcher“ im Periodensystem bisher nicht entdeckte Elemente vorhergesagt werden (auch ihre Eigenschaften!)  ebenso konnten in der Elementarteilchenphysik neue Teilchen aufgrund der gefundenen Ordnungsprinzipien vorhergesagt werden L K 1947 S 1897 1914 1932 1937

19 E=1eV Der Teilchenzoo Lebensdauer (s) Masse (GeV/c2) e- p n m KL D Kc
100000 e- p n m KL D Kc KS p0 h t B f J/y 1s 2s 3s 4s w r D* Sc S0 W- n 1s 1 ms E=1eV 1 µs m KL pc Kc Sc 1 ns W- KS B D t 10-15s p0 eine „Landkarte“ des Teilchenzoos, in der zwei wesentliche Eigenschaften der Teilchen abgelesen werden können: die Lebensdauer (in logarithmischer Skala), und die Masse (in GeV) Vergleich: 1ns: Taktfrequenz eines Computers die Lebensdauer gibt an, wie lange es durchschnittlich dauert bis das Teilchen zerfällt. Sie kann sehr unterschiedlich sein, wie man auf der Landkarte sehen kann Es gibt stabile und instabile Teilchen. das Verständnis dieser Landkarte – warum es offensichtlich einige „Inseln“ gibt, warum die Lebensdauern und Massen genau so sind wie sie sind – ist eines der großen Ziele und Errungenschaften der Hochenergiephysik h S0 1s 2s 3s J/y 10-20s D* w f 4s W±, Zo r 10-25s Masse (GeV/c2)

20 g Das Standardmodell Fermionen (Spin ½) Wechselwirkungen ? ne nm nt u
stark schwach Schwerkraft ? Schwache Kraft W, Z Elektromagn. Kraft g Starke Kraft Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) Leptonen Quarks Ladung ne nm nt +2/3 u c t m -1 e t -1/3 d s b d u d u das Standardmodell ist Grundlage des heutigen Verständnisses der Elementarteilchenphysik; es erlaubt theoretische Vorhersagen in mitunter atemberaubender Präzision, und hat sich bisher allen experimentellen Versuchen widersetzt, es zu widerlegen Es beschreibt eine Anzahl sog. Fundamentalteilchen, die selbst keine weitere innere Struktur besitzen, und ihre Wechselwirkungen, die sich auf vier physikalische Grundkräfte reduzieren. Diesen Wechselwirkungen werden ebenfalls fundamentale Teilchen zugeordnet, die diese Wechselwirkungen vermitteln es gibt zwei fundamentale Klassen von Fundamentalteilchen, die Leptonen und die Quarks. In beiden Klassen gibt es je drei Generationen von je zwei Teilchen (Dubletts). Quarks unterscheiden sich von Leptonen durch ihre Farbladung ( starke Kraft), die zwei Teilchen eines Dubletts durch ihre elektrische Ladung. Die unterschiedlichen Generationen unterscheiden sich nur durch die Masse der Teilchen. All diese Teilchen haben einen Eigendrehimpuls (Spin) von einem halben Wirkungsquantum. Wechselwirkungen sind eine Verallgemeinerung des Kraftbegriffs und schließen auch die Umwandlung von Teilchen ineinander ein. Sie werden durch Teilchen mit ganzzahligem Spin (bis auf die Schwerkraft Spin 1) vermittelt, die als Bosonen bezeichnet werden. die Schwerkraft ist bei weitem die schwächste Kraft (Beispiel: bei einem Sprung ist die Muskelkraft eines einzelnen Menschen größer als die Schwerkraft der ganzen Erde), und spielt in der Elementarteilchenphysik üblicherweise keine Rolle ( Ausnahme: mögliche Produktion schwarzer Mini-Löcher – aber nur unter gewissen, experimentell nicht abgesicherten, theoretischen Annahmen über zusätzliche Dimensionen). In der Makrophysik ist sie nur deswegen von Bedeutung, weil sich alle anderen Kräfte auf großen Skalen ausgleichen (Anziehung und Abstoßung), während die Schwerkraft immer anziehend wirkt. Es gibt bis heute keine befriedigende Quantentheorie der Schwerkraft, deswegen ist das zugehörige Wechselwirkungsteilchen Graviton noch rein hypothetisch die elektromagnetische Kraft vereinheitlicht nicht nur elektrische- und magnetische Kräfte, sondern ist die fundamentale Kraft hinter beinahe jeder Kraft der Alltagswelt (Federkraft, Muskelkraft, Kraft eines Motors, etc.). Vermittelt wird diese Wechselwirkung durch das Photon. Die schwache Kraft (schwächer als die elektromagnetische Kraft, aber immer noch weit stärker als die Schwerkraft) ist die einzige Kraft, die auf alle Fundamentalteilchen – einschließlich der Neutrinos – wirkt. Sie ist auch die einzige Wechselwirkung, die eine gewisse Umwandlung der Fundamentalteilchen ineinander erlaubt – und damit der Grund, warum die 2. und 3. Generation der Teilchen nicht stabil ist, sondern stets in die (leichteste) 1. Generation zerfällt. Vermittelt wird die schwache Kraft durch das W- und Z-Boson. +1 Proton Neutron Baryonen

21 g Anti-Teilchen -2/3 +1 +1/3 Wechselwirkungen d u s c b t e ne m t nm
Leptonen Quarks Wechselwirkungen Ladung d u s c b t stark e ne m t nm nt -2/3 ne nm nt u c t Starke Kraft g g +1 +1/3 e m t d s b Elektromagn. Kraft Schwache Kraft W, Z Schwerkraft ? zu allen Teilchen gibt es jeweils auch ein zugehöriges Antiteilchen, das dieselbe Masse, aber umgekehrte Ladung (und komplementäre Farbladung) besitzt. durch Kombination eines Quarks mit einem Antiquark der entsprechenden komplementären Farbladung lässt sich ein stabiler („weißer“) Bindungszustand herstellen, der als Meson bezeichnet wird (eine entsprechende Bindung von zwei Quarks – oder zwei Antiquarks – ist nicht möglich) schwach Kräfteteilchen: Bosonen (Spin 1)

22 Der totale Wirkungsquerschnitt für die Streuung von Neutrinos an Nukleonen ist von der Energie unabhängig, wie man es für die Streuung an punktförmigen Konstituententeilchen erwartet.

23 Der Wirkungsquerschnitt für die Bildung von Hadronen bei Elektron-Positron-Kollisionen verhält sich ebenso wie der für die Bildung eines Myonpaares, also zweier punktförmiger (nach heutigem Wissen) Teilchen.

24 Experimentaufbau für tief-inelastische Elektron-Proton-Streuung
(aus dem Nobelpreis-Vortrag von Robert Hofstadter, 1961) Durch die “tief-inelastische” Streuung von Elektronen an Nukleonen konnte deren Struktur untersucht werden. Durch ihre hohe Energie können die Elektronen in das Nukleon eindringen, es wird für sie gewissermaßen “durchsichtig”.

25 Farbladung (color) Quarks haben neben der elektrischen Ladung auch noch eine „Farbladung“. Das Kräfteteilchen wird Gluon genannt. Es ist für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich. Farbe Antifarbe ROT TÜRKIS BLAU GELB GRÜN LILA die starke Kraft ist verantwortlich für die Bindung von Quarks – sie ist so stark, dass sie elektrische Abstoßungskräfte bei weitem übertrifft, und es sogar unmöglich macht Quarks voneinander zu trennen und einzeln zu beobachten. Die Art der Kraft wird durch die sog. Farbladung der Quarks bestimmt, wobei die einfache Regel gilt, dass nur dann stabile Bindungen zwischen Quarks auftreten können, wenn sich als Gesamtfarbladung weiß ergibt (nach den Regeln der additiven Farbmischung); dadurch ist auch die Ganzzahligkeit der elektrischen Ladung garantiert. Dabei ist der Begriff „Farbe“ hier als Analogie zu sehen um komplexe mathematische Zusammenhänge zu veranschaulichen, und hat nichts mit einer wirklichen Farbe des Alltags zu tun. Nur Quarks haben eine Farbladung, auf Leptonen wirkt daher keine starke Kraft. Wechselwirkungsteilchen ist das Gluon.

26 Quarks können nicht einzeln beobachtet werden (Quark-Confinement)
Quarks können nicht einzeln beobachtet werden (Quark-Confinement). Sie treten immer nur in Bindungszuständen auf: Es gibt zwei Möglichkeiten Teilchen zu bilden: 3 Quarks mit jeweils verschiedenen Farben: Baryonen 2 Quarks mit jeweils einer Farbe und einer Antifarbe: Mesonen d u Mesonen q q Baryonen q Ad Confinement: wie schon erwähnt ist die starke Kraft eben so stark, dass man Quarks nicht von einander trennen kann. Die Kraft wird mit zunehmendem Abstand sogar größer. Ad erstes erscheinendes „Meson“ rechts: Da es aus zwei Farben und keiner Antifarbe besteht, ist dies ein verbotener Zustand, da nur neutrale = weiße Teilchen gebildet werden.

27 (Experiment Aleph, LEP-Collider, CERN, Genf
Ereignis mit 3 Jets (Experiment Aleph, LEP-Collider, CERN, Genf Da Quarks nicht frei existieren können (“Confinement”) und die Energie des Zustandes immer mehr zunimmt, wenn sie voneinander entfernt werden (“Gummibandmodell”), beobachtet man tatsächlich nicht Einzelteilchen sondern “Jets”, die durch “Hadronisierung” entstehen: d.h., die Energie verwandelt sich in die Masse von aus Quarks bestehenden Teilchen-Antiteilchen-Paaren.

28 ... ... p+ K-  L0 D+ d u d b u s c b d u d u u u u s u d D++ Mesonen
Baryonen u s u d Proton Neutron D++ L0 ausgehend vom „Legobaukasten“ des Standardmodells lassen sich eine Vielzahl von Bindungszuständen konstruieren, die den experimentell bekannten Elementarteilchen zugeordnet werden können die Materie des Alltags besteht aus nur drei verschiedenen Fundamentalteilchen – den Quarks up & down, sowie dem Elektron. Den Zusammenhalt des Atomkerns garantieren Gluonen (starke Wechselwirkung), die der Elektronenhülle das Photon (elektromagnetische Wechselwirkung) Atomkern Atom He-Kern (a-Teilchen) Materie

29 Robert Hofstadter (Nobelpreis-Vortrag 1961)

30 Zerfälle & Streuprozesse
Was beobachten wir? Zerfälle & Streuprozesse e ne p Zerfall nm nm  26 ns  2200 ns K p e- e- K Streuprozess e+ e+ p die Wechselwirkung zwischen den Fundamentalteilchen erfolgt entweder durch Zerfälle (in denen ein einzelnes Teilchen ohne äußere Einwirkung in andere Teilchen zerfällt) oder Streuprozesse (in denen mehrere – in aller Regel aber nur zwei – Teilchen einander nahe kommen, Vergleich mit Experiment Rutherford) Streuprozesse können einfach nur die Ablenkung der beiden Stoßpartner zur Folge haben, bei hoher Stoßenergie entstehen aber in der Regel eine Reihe neuer Teilchen – auf genau diese Art können experimentell die instabilen Elementarteilchen hergestellt und erforscht werden („Miniurknall“ – “Wiederbelebung ausgestorbener Teilchen“); auf natürliche Weise entstehen diese Teilchen durch den Aufprall hochenergetischer Teilchen aus dem Weltall auf Teilchen in unserer Atmosphäre  es bilden sich Schauer kurzlebiger Teilchen, die bis auf die Erdoberfläche kommen und die sog. kosmische Strahlung bilden beim Zerfall instabiler Teilchen entsteht eine Reihe von neuen (leichteren) Teilchen, die selbst mitunter wieder weiter zerfallen. Viele extrem kurzlebige Teilchen sind überhaupt nur indirekt über ihre Zerfallsprodukte nachweisbar. die interessante Frage ist natürlich, was genau sich beim Wechselwirkungsprozess abspielt – die Erforschung dieser Prozesse ist Gegenstand der Hochenergiephysik. Als „Lupe“ oder „Mikroskop“ kommen dabei die Teilchenbeschleuniger zum Einsatz... p

31 Detektoren

32 Arten der Wechselwirkung von Teilchen mit Materie
Ionisierung inelastische Streuung an Elektronen elastische Streuung an Kernen Kernreaktionen Cherenkov-Strahlung Bremsstrahlung fast nur Elektronen und Positronen bei Photonen: Photoeffekt Comptonstreuung Paarbildung

33 Detektortypen 1. photographische Emulsionen 2. Szinitillatoren
3. Ionisationsdetektoren 3.1 Gasdetektorer 3.2 Ionisationen in Flüssigkeiten 3.3 Halbleiterdetektoren 4. Nebel- und Blasenkammer 5. Cherenkov- und Übergangsstrahlungs-Detektoren

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35 Die Bethe-Bloch-Formel

36 Szintillatoren: einfach schnell heute noch im Einsatz Szintillator
1. photographische Emulsionen: zufällig gefunden (Schwärzung von verpacktem Film) anfänglich viel verwendet (Höhenstrahlung, Entdeckung Pion etc) 2. Szintillationszähler Sie sind wegen ihrer Einfachheit und Schnelligkeit auch heute noch im Einsatz und werden oft mit nahezu künstlerisch anmutenden Lichtleiterstrukturen mit Seklundärelektronenverfielfachern (photomultipliers) verbunden. Lichtleiterstrukturen

37 Geiger-Müller-Zähler
Teilchen Hochspannung Verstärker Erde RHV >> RA Eintrittsfenster 3. Detektion durch Ionisierung 3.1 Gasdetektoren Zählrohr Primärionisierung zu wenig, aber Gasverstärkung (Teilchenstöße des fließenden Stromes führen zu weiterer, stärkerer Ionisierung) „Lawinenmodus“ (avalanche mode): Signal stark, unabhängig von der vom ursprünglichen ionisierenden Teilchen deponierten Energie (Durchschlag, Strom würde eigentlich weiter fließen, „Quencher“ beenden den Stromfluss) kommen später zu Weiterentwicklungen von Gasdetektoren zurück

38 Positron in Nebelkammer 4.1 Nebelkammer: Kondensstreifenprinzip
Wilson (Nobelpreis – mit Compton – 1927) z.B. Entdeckung Positron unterkühlte Flüssigkeit (ein Kolben komprimiert das Gas adiabatisch) Magnet: elektr. geladene Teilchen werden abgelenkt (Krümmungsradius ~ Impuls !) messe Ladung und Impuls Problem: geringe Dichte des Gases --> geringe Wechselwirkungsrate

39 Vorherrschender Detektor zwischen 1960 und 1975
Blasenkammer: Vorherrschender Detektor zwischen 1960 und 1975 Behälter mit Flüssigkeit im Siedeverzug Reaktionsprozesse der Strahlteilchen mit Molekülen der Flüssigkeit Durch Ionisation Kondensationskeime für Bläschenbildung Fotografieren der sichtbaren Spuren 4.2 Blasenkammer Der erste Detektor der eigentlichen „Hochenergiephysik“ am Beschleuniger war die Blasenkammer. Eine Blasenkammer ist ein Behälter gefüllt mit einer Flüssigkeit, die im Zustand des Siedeverzuges gehalten wird. (etwa H2) Wurde mittels der schnellen Szintillatoren der Eintritt eines aus den Beschleuniger kommenden Strahlteilchens in die Blasenkammer festgestellt, so wurde nach Expansion durch einen Kolben die Spuren in der Blasenkammer sichtbar. Die Reaktionsprozesse bei einem Stoß der Strahlteilchen auf Moleküle in der Blasenkammer erzeugten durch Ionisation Kondensationskeime für Bläschenbildung. Dadurch wurden die Spuren sichtbar und konnten fotografiert werde.

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41 Zerfall eines charm-Baryons (Σc++)
Die Rekonstruktion von Nebel- und Blasenkammeraufnahmen war eine mühsame Aufgabe, die nicht leicht von Maschinen (Computern) übernommen werden kann. Viele Messungen wurden von “Scannerinnen” durchgeführt, die nach Vorgabe der Physiker nach bestimmten Mustern und Krümmungen suchten. Zerfall eines charm-Baryons (Σc++)

42 BEBC (Big European Bubble Chamber)

43 Vieldraht-Proportionalkammer
(Fortsetzung:) Vieldrahtproportionalkammer Das Grundprinzip ist dasselbe wie beim Zählrohr. Ein durch den Detektor gehendes Teilchen erzeugt durch Ionisation freie Elektronen, die, getrieben durch das nun ständig anliegende elektrische Feld, zu einem der Zähldrähte wandern. Infolge der hohen Feldstärke um den Zähldraht werden die Elektronen zwischen zwei Stößen mit dem Füllgas so stark beschleunigt, dass es zu einer lawinenartigen Vervielfachung der Elektron-Ion-Paare kommt. Das Signal entsteht dann nicht durch die sich in der Nähe des Zähldrahtes befindenden Elektronen, sondern durch die vom Zähldraht wegwandernden Ionen. Diese Vieldrahtkammern sind ohne Hilfszähler jederzeit ansprechbereit, vertragen Teilchenraten von vielen Millionen Hertz und haben auch mit dem gleichzeitigen Durchgang von einer größeren Anzahl von Teilchen kein Problem. Sie kamen gerade rechtzeitig, um die bei den CERN-Speicherringen ISR plötzlich auf eine Million anwachsenden Wechselwirkungsraten verkraften zu können. Ein Nachteil der Vieldrahtkammern war, dass für jeden einzelnen Draht ein eigener Verstärker erforderlich war.

44 Driftkammer 3.1.3 Driftkammer:
Das Problem der hohen Anzahl an Verstärkern bei Vieldrahtproportionalkammern wurde durch die Erfindung der Driftkammern gelöst. Die Abstände der Zähldrähte wurden von 0.5 bis 2 mm auf mehrere cm erhöht. Durch geeignete Potentialverteilung auf den Außenwänden der Driftammer wird ein starkes elektrisches Driftfeld erzeugt, das die Elektronen wieder zum Zähldraht treibt. Der Abstand zum Durchgang der Teilchenspur wird dann aus der Driftzeit berechnet.

45 Zeitprojektionskammer
Zeitprojektionskammer (Time Projection Chamber, TPC): Man kann sich die Zeitprojektionskammer als ein Paket einer großen Anzahl konzentrisch angeordneter Driftkammern mit extrem großer Driftstrecke vorstellen, wobei die Hochspannung zur Erzeugung des Driftfeldes nur an den Außenwänden wirken muss. Dadurch entsteht eine hohe Einsparung von störenden Detektorwänden, die durch Wechselwirkung mit den zu untersuchenden Reaktionsteilchen mit unter zur Verfälschung der Messung der Sekundärteilchen führten. Die Koordinate längs der Strahlrichtung wird abermals aus der Driftzeit berechnet. Die Endflächen einer solchen Zeitprojektionskammer bilden dann wieder komplexe Anordnungen von Zähldrähten, die auf den segmentierten Endplatten angebracht werden. Bild: Anodensegment einer TPC (DELPHI)

46 Das Flüssig-Krypton-Kalorimeter des Experiments NA48 (CERN)
(Elektrodenstruktur) 3.2 Ionisierung von Flüssigkeiten: Kalorimeter mit flüssigem Edelgas Hier: flüssiges Krypton Kalorimeter: in Teilchenphysik: ein Detektor, in dem das Teilchen die gesamte Energie abgibt (gestoppt wird) (erlaubt genaue Energiemessung) dient meist zur Messung von Photonen und Elektronen Photonen erzeugen “Schauer”, Elektronen und Positronen ionisieren die Flüssigkeit, zwischen den auf Hochspannung liegenden Elektroden fließt Strom Edelgas benötigt, weil in anderen Materialien zu viele Elektronen eingefangen (und damit für den Messprozess verloren) werden.

47 Halbleiterdetektor + Vbias 3.3 Halbleiterdetektoren
Bei Kollisionsmaschinen muss der primäre Wechselwirkungspunkt sowie allfällige Sekundärvertices vom Zerfall gerade erst erzeugter sehr kurzlebiger Teilchen genau vermessen werden. Dies geschieht mittels dünner Halbleiterdetektorplättchen. Durch Implantation hergestellte streifenförmige Dioden dienen zur Ortsmessung. Eine ständig anliegende elektrische Spannung in Diodensperrrichtung sorgt für „das Absaugen“ der thermischen Elektronen aus dem Leitungsband des Halbleiters, sodass die durch ein durchgehendes Teilchen gebildeten Elektronen-Loch-Paare nicht im thermischen Rauschen untergehen. Solche Halbleiterdetektoren (etwa Silizium-Streifendetektoren) können Genauigkeiten von wenigen Mikrometern erzielen.

48 Silizium-Wafer Solche aus gezüchteten Einkristallen geschnittene Scheiben (“Wafer” = “Waffeln”) sind vor allem Rohmaterial für die Herstellung von Mikroprozessoren, werden aber auch für die Herstellung von Halbleiterdetektoren verwendet.

49 Barrel des CMS-Trackers

50 Cherenkov-Strahlung in einem Schwimmbad-Reaktor
5.1 Cherenkov-Effekt Bei Teilchen, die sich in einem Medium (nicht im Vakuum) mit Geschwindigkeit höher als der Lichtgeschwindigkeit bewegen, tritt der Cherenkov-Effekt (Cerenkov, Черенков) auf. Er kann analog wie der Überschallknall bei einem die Schallmauer durchbrechenden Flugzeug veranschaulicht werden und führt zur Aussendung von Licht (Photonen) unter einem Winkel zur Teilchenrichtung, der mit der Teilchengeschwindigkeit korreliert ist. Gut beobachten kann man die Cherenkov-Strahlung z.B. in einem Schwimmbadreaktor (Bild). Bei gleicher Teilchenenergie ist die Geschwindigkeit von der Teilchenmasse abhängig. Wenn sie für ein Teilchen über, für ein anderes unter der Lichtgeschwindigkeit im Medium liegt, kann der Cherenkov-Effekt zur Unterscheidung der Teilchen verwendet werden (Teilchenidentifizierung, particle ID).

51 Prinzip des Cherenkov-Effekts
Ein weiterer, verwandter Effekt ist die “Übergangsstrahlung” (Transition Radiation), die so wie der Cherenkov-Effekt vornehmlicher zur Identifizierung (Unterscheidung) von Teilchen (particle ID) herangezogen wird.

52 Experiment NA48 am CERN (Messung der CP-Verletzung) als Beispiel eines Fixed-Target- Experiments

53 Fixed-Target-Experiment NA48 am CERN:
Beobachtung eines Zerfalls in den verschiedenen Teilen des Detektors Verschiedene Teilchen durchdringen unterschiedliche Stärken von Material und werden in verschiedenen Einzeldetektoren (“Subdetektoren”) nachgewiesen: Die Gasdetektoren (hier Driftkammern) stellen für die meisten Teilchen kaum ein Hindernis dar. Die Teilchen verlieren nur wenig Energie, durch die Positionsbestimmung vor und nach dem Magneten kann aber der Impuls von geladenen Teilchen gemessen werden (wenn deren Ladung bekannt ist). Dünne Szintillatoren beeinflussen ebenfalls die Teilchen nur wenig, erlauben aber eine genaue Zeitbestimmung. Im elektromagnetischen Kalorimeter (hier: flüssiger Ionisationsdetektor, gefüllt mit flüssigem Krypton) geben Photonen und Elektronen/Positronen ihre gesamte Energie ab und werden gestoppt. Hadronen (aus Quarks bestehende Teilchen, also Mesonen und Baryonen) werden im darauf folgenden Hadron-Kalorimeter gestoppt. Myonen durchdringen auch dieses und werden hinter einer dicken Eisen-Abschirmung in Myon-Szintillatoren festgestellt. Neutrinos bleiben unsichtbar und werden nur als “fehlender Impuls” oder “fehlende Energie” bei Summierung über alle anderen Sekundärteilchen (= beim Stoß entstehenden Teilchen) festgestellt.

54 CMS CMS - Das “Compact Muon Solenoid”
CMS ist eines der beiden großen Universalexperimente zur Vermessung der Proton/Proton-Kollisionen am LHC. An diesem Experiment nehmen über 1900 Wissenschaftler aus 160 Instituten (darunter auch HEPHY) aus 36 Ländern teil. Der Spektrometermagnet ist der größte supraleitende Magnet, der je gebaut wurde. Für die Bauteile des hochauflösenden inneren Silizium-Spurendetektors ist Hephy eines der Produktions- und Kontrollzentren. Eine andere Gruppe des Instituts arbeitet am schnellen Nachweis von Myonen, die vielfach eine Signatur für mögliche neue Teilchen sein können. Weiters wird der „Globale Trigger“ von Wien gebaut. Solche Ereignisse müssen aus einer Milliarde Wechselwirkungen/s herausgefischt werden. Am zweiten Großexperiment, “ATLAS”, ist die Universität Innsbruck beteiligt.

55 Endcaps der Driftkammer Endcaps des Kalorimeters
CMS Endcaps der Driftkammer Endcaps des Kalorimeters Stand Juni 2004

56 3.5 GeV e+ 8 GeV e - supraleitendesSolenoid Cherenkov-Zähler
Spurkammer Myonkammern Vertexdetektor supraleitendesSolenoid Kalorimeter Flugzeitzähler 3.5 GeV e+ 8 GeV e - Der Belle-Detektor (Schema) Beispiel eines Detektors an einem asymmetrischen Collider. Die asymmetrischen Teilchenstrahlen dienen dazu, Sekundärteilchen mit hoher Geschwindigkeit zu erzeugen und damit leichter beobachten zu können.

57 Foto des Belle-Detektors