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21. Oktober 2008 Helmut Eberl Reise in die subatomare Welt Ausstellung LHC2008.

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Präsentation zum Thema: "21. Oktober 2008 Helmut Eberl Reise in die subatomare Welt Ausstellung LHC2008."—  Präsentation transkript:

1 21. Oktober 2008 Helmut Eberl Reise in die subatomare Welt Ausstellung LHC2008

2 Helmut EberlLHC Oktober 2008 Was ist ein Elementarteilchen? Elementar: Bis heute keine Zusammensetzung aus noch kleineren Teilchen gefunden. Quantentheorie: Materie- und Kräfteteilchen haben sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter Welle-Teilchen Dualismus Beispiele: e-e- Elektron Photon Lichtteilchen

3 Helmut EberlLHC Oktober 2008 P+P+ e-e- Das Wasserstoffatom Gebundener Zustand - Elektromagnetismus Photonaustausch

4 Helmut EberlLHC Oktober m P+P+ e-e- e-e- e-e- e-e- < m m

5 Helmut EberlLHC Oktober 2008 P+P+ besteht aus zwei up quarks und einem down quark! d u u Der Wasserstoffkern – das Proton Elektrische Ladung 2/3 2/3 - 1/3 Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt! Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen?

6 Helmut EberlLHC Oktober 2008 Die starke Kraft (Kernkraft) d u u ggg g ggg 3 Farbladungen 8 Gluonen Messbare Objekte sind farbneutral. Es existieren somit keine freien quarks – confinement. (Nobelpreis 2004 an D. Gross, H.D. Politzer, and F. Wilczek) (Farbe dient hier nur als anschauliches Analogon)

7 Helmut EberlLHC Oktober 2008 d u ggg 2 quarks Nicht erlaubt!

8 Helmut EberlLHC Oktober 2008 u d ggg Pion + 1/3 2/3 Drei Bindungsmöglichkeiten: (q q q) = (Proton, Neutron, …) (q q q) = (Antiproton, Antineutron, …) und (q q) = (Pionen, …)

9 Helmut EberlLHC Oktober 2008 Antiteilchen: Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen, aber umgekehrte Ladungen (additive Quantenzahlen) e-e- e+e+ up anti-up Elektron Positron u u

10 Helmut EberlLHC Oktober 2008 P+P+ besteht aus einem up quarks und zwei down quarks! d d u Das Neutron 2/3 - 1/3 2/3 = -1/3 + 1 Zusammenhang mit Proton: d u + ? +

11 Helmut EberlLHC Oktober 2008 d u u Proton Die schwache Kraft Im Zentrum der Sonne wird Wasserstoff (= Protonen) zu Helium (zwei Protonen und zwei Neutronen) fusioniert. Dadurch leuchtet sie. Doch wie funktioniert das im Detail? Startprozess ist die Fusion von 2 Protonen zu Deuterium. Dabei wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und sendet ein W + -Boson (Vermittler der schwachen Kraft) aus, das in ein e + und e-Neutrino zerfällt. e+e+ e W+W+ d d u Neutron

12 Helmut EberlLHC Oktober 2008 Dieses Bild zeigt die Sonne aus der Sicht vom Soft X-Ray Telescope (SXT) an Bord des Yohkoh Satelliten Quelle: NASA Goddard Laboratory for Atmospheres Erde

13 Helmut EberlLHC Oktober 2008 In der Sonne dauert es im Schnitt 10 9 Jahre, bis ein bestimmtes Proton mit einem anderen reagiert. Durch die große Anzahl von Protonen im Sterninneren geschieht dies jedoch häufig genug, um die Reaktion kontinuierlich ablaufen zu lassen. 1H + + 1H + 2H + + e + + e + 0,42 MeV (e + + e ,022 MeV) 3He 2+ +3He 2+ 4He H + + 1H ,86 MeV e e e 2H + + 1H + 3He ,49 MeV Nach ca. 1,4 Sekunden: Kernfusion in der Sonne Proton-Proton-Reaktion I: 91%

14 Helmut EberlLHC Oktober 2008 Es gibt 3 Vermittlerteilchen der schwachen Kraft: W+W+ W-W- Z0Z0 Sie sind sehr schwer (80 u. 91 GeV) und wurden daher erst 1983 im CERN am SPS Ring entdeckt (Nobelpreis 1984 an S. van der Meer und C. Rubbia). Kräfte sind Spezialfälle von Wechselwirkungen, da viele Teilchen auch zerfallen und bei entsprechend hohen Energien infolge E Ruhe = m c 2 produziert werden können!

15 Helmut EberlLHC Oktober e 2. Gen. - c s Das Standardmodell der Elementarteilchen El. Ladung 2/3 -1/3 0 Materie e-e- e u d 1.Gen. 3. Gen. - t b 2. Gen. + c s 3. Gen. + t b e+e+ 1.Gen. -2/3 1/ Antimaterie u e d

16 Helmut EberlLHC Oktober 2008 Kräfte g g g g g g W+W+ W-W- Z0Z0 ggg g g Elektromagnetische Kraft Photon Schwache Kraft W- u. Z-Bosonen Starke Kraft Gluonen Gravitation – Graviton? extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften, in Beschleunigerexperimenten vernachlässigbar

17 Helmut EberlLHC Oktober 2008 Das Standardmodell ist nun komplett, außer dem ominösen Higgs-Teilchen entwickelte der britische Physiker Peter Higgs einen formalen Mechanismus, durch den zunächst masselose Teilchen durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld (dem Higgs-Feld) massiv werden. Das Higgs-Boson ist für die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil es – bisher – die einfachste bekannte und experimentell konsistente Erklärung dafür ist, wie die Kraftteilchen eine Masse haben können – denn die grundlegende Theorie erfordert masselose Kraftteilchen, da sie ansonsten mathematisch nicht funktioniert. Die W- und Z-Bosonen, haben aber sogar eine recht große Masse! Der Higgs-Mechanismus erklärt nun, wie eigentlich masselose Kraftteilchen durch Wechselwirkung mit dem Higgsfeld eine Masse erhalten können. Weiter gelingt so die Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung, da beide auf nur eine, grundlegende "elektroschwache" Wechselwirkung mit (ursprünglich) lauter masselosen Kraftteilchen zurückgeführt werden können. Da viele spezielle Eigenschaften einer solchen elektroschwachen Wechselwirkung sich experimentell sehr gut bestätigt haben, gilt das Standardmodell mit einem Higgs-Teilchen als durchaus gut abgesichert. Sollte das Higgs-Teilchen existieren, dann wird es mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit am LHC entdeckt werden!

18 Helmut EberlLHC Oktober 2008 Der Weg zur allumfassenden Theorie? Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das sog. Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten. Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien der Natur manifestieren. ( Vortrag Laurenz Widhalm) Supersymmetrie

19 Helmut EberlLHC Oktober 2008 Supersymmetrie ist die attraktivste Erweiterung des Standardmodells (SM). Sie löst das Hierarchieproblem kann die elektromagnetische, schwache und starke Kraft vereinheitlichen ist die einzige nichttriviale Erweiterung der SM Gruppenstruktur Das LSP ist ein sehr guter Kandidat für die Dunkle Materie – mehr Details dazu im Vortrag von Robert Schöfbeck. Der zu zahlende Preis ist hoch, das Teilchenspektrum wird mehr als verdoppelt!

20 Helmut EberlLHC Oktober 2008 Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am LHC im CERN. SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen.

21 Helmut EberlLHC Oktober 2008 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

22 Helmut EberlLHC Oktober 2008 e-e- e+e e e Leptonen

23 Helmut EberlLHC Oktober 2008 d u Quarks s c b t u d c s t b d u s c b t sb u d ct d u s c b t u d c s t b


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