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1 Überblick (1) Was sind Elementarteilchen ? Die ersten Teilchen historischer Überblick Einige Formeln Dirac-Gleichung Relativistische Kinematik gebräuchliche.

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Präsentation zum Thema: "1 Überblick (1) Was sind Elementarteilchen ? Die ersten Teilchen historischer Überblick Einige Formeln Dirac-Gleichung Relativistische Kinematik gebräuchliche."—  Präsentation transkript:

1 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

2 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

3 Das Elektron e-e- Thomson

4 Das Proton e-e Rutherford p

5 5

6 6

7 Das Photon Planck Einstein Compton e-e- p

8 Das Neutron e-e n p 1932 Chadwick

9 Das Positron (Antimaterie) e-e e+e+ p 1932 n Anderson Dirac

10 10

11 11

12 Das Myon e-e µ p 1932 n 1937 Hess Anderson, Neddermeyer e+e+

13 e-e- 1V 1GeV = eV Das Elektronenvolt (eV) Einheiten

14 Das Pion e-e p 1932 n 1937 µ 1947 Powell Yukawa e+e+

15 Das Neutrino e-e p 1932 n 1937 µ 1947 e+e+ Pauli Reines

16 16

17 Seltsame Teilchen e-e K K p 1932 n 1937 µ 1947 e+e+ Rochester, Butler,

18 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. e-e K p 1932 n 1937 µ 1947 e+e Willis Lamb drückte in seiner Nobelpreis-Ansprache1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus: Lamb

19 19 Lebensdauer (s) n c KLKL D KcKc KSKS 0 B J 1s 2s 3s 4s D* c 0 Masse (GeV/c 2 ) Der Teilchenzoo 1s 1 ms 1 µs s s s n KLKL D KcKc KSKS 0 B J 1s 2s 3 s 4s D* c 0 E=1eV e - W ±, Z o p 1 ns

20 20 Fermionen (Spin ½) Ladung 0 +2/3 -1/3 d u u d u d LeptonenQuarks Das Standardmodell +1 0 Proton Neutron Baryonen Wechselwirkungen stark schwach Schwerkraft ? Schwache Kraft W, Z Elektromagn. Kraft Starke Kraft g Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) e e uct dsb

21 21 d u s c b t e e Anti -Teilchen Wechselwirkungen stark schwach e Ladung /3 + 1/3 Schwerkraft ? Schwache Kraft W, Z Elektromagn. Kraft Starke Kraft g e d u s c b t LeptonenQuarks Kräfteteilchen: Bosonen (Spin 1)

22 22

23 23

24 24 Experimentaufbau für tief-inelastische Elektron-Proton-Streuung (aus dem Nobelpreis-Vortrag von Robert Hofstadter, 1961)

25 25 Farbladung (color) FarbeAntifarbe ROTTÜRKIS BLAUGELB GRÜNLILA Quarks haben neben der elektrischen Ladung auch noch eine Farbladung. Das Kräfteteilchen wird Gluon genannt. Es ist für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich.

26 26 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 Baryonen q q q q q d u Mesonen q q

27 27 Ereignis mit 3 Jets (Experiment Aleph, LEP-Collider, CERN, Genf

28 28 ++ u u u u d d u s c d D s u b b d u u d u d ProtonNeutron Mesonen Baryonen... Atomkern He-Kern ( -Teilchen) Atom Materie

29 29 Robert Hofstadter (Nobelpreis-Vortrag 1961)

30 30 e e µ µ Zerfall e e 26 ns 2200 ns Streuprozess e-e- e+e+ e+e+ K K p p e-e- e+e+ e+e+ Was beobachten wir? Zerfälle & Streuprozesse K K

31 31 Detektoren

32 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 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

34 34

35 35 Die Bethe-Bloch-Formel

36 36 Szintillatoren: einfach schnell heute noch im Einsatz Lichtleiterstrukturen Szintillator

37 37 Geiger-Müller-Zähler Teilchen Hochspannung Verstärker Erde R HV >> R A Eintrittsfenster

38 38 Positron in Nebelkammer

39 39 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

40 40

41 41 Zerfall eines charm-Baryons (Σ c ++ )

42 42

43 43 Vieldraht-Proportionalkammer

44 44 Driftkammer

45 45 Zeitprojektionskammer

46 46 Das Flüssig-Krypton-Kalorimeter des Experiments NA48 (CERN) (Elektrodenstruktur)

47 47 + V bias Halbleiterdetektor

48 48

49 49 Barrel des CMS-Trackers

50 50 Cherenkov-Strahlung in einem Schwimmbad-Reaktor

51 51 Prinzip des Cherenkov-Effekts

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

53 53 Fixed-Target-Experiment NA48 am CERN: Beobachtung eines Zerfalls in den verschiedenen Teilen des Detektors

54 54 CMS

55 55 CMS Endcaps des KalorimetersEndcaps der Driftkammer Stand Juni 2004

56 56 Cherenkov-Zähler Spurkammer Myonkammern Vertexdetektor supraleitendes Solenoid Kalorimeter Flugzeitzähler 3.5 GeV e + 8 GeV e -

57 57


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