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Sebastian Frank Für Neugierige von 10 bis 14 Jahren Wie erzeuge ich einen Mini-Urknall?

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Präsentation zum Thema: "Sebastian Frank Für Neugierige von 10 bis 14 Jahren Wie erzeuge ich einen Mini-Urknall?"—  Präsentation transkript:

1 Sebastian Frank Für Neugierige von 10 bis 14 Jahren Wie erzeuge ich einen Mini-Urknall?

2 2Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Vom Allergrößten zum Allerkleinsten (und zurück)

3 3Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Unsere Alltagswelt Unsere vertraute Welt Größenordnung: 1 mm – 1 km Kräfte im Alltag: –Gravitation (Schwerkraft) –Elektromagnetismus (Licht!)

4 4Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Der Nachthimmel Im Nachthimmel sehen wir viele weitere Welten Blick in die Ferne = Blick in die Vergangenheit Warum? –Licht ist nicht unendlich schnell! –Licht von fernen Objekten braucht Zeit, um zu uns zu gelangen –Wie sehen Objekte so, wie sie früher ausgesehen haben (Zeitmaschine!)

5 5Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Die Sonne Mittlere Entfernung: 1,49 × m = 1,49 × m Distanz entspricht 8,3 Lichtminuten Wir sehen Sonne, wie sie vor rund 8 Minuten war (Vergangenheit) Erde

6 6Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Alpha Centauri Nächstgelegene Sternsystem Doppelsternsystem Entfernung: 4,1 × m Distanz entspricht 4,3 Lichtjahre

7 7Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Andromeda-Galaxie (M31) Nachbargalaxie Typ: Spiralgalaxie Entfernung: 2,4 × m 2,5 × 10 6 Lichtjahre Mit bloßem Auge sichtbar! m = m

8 8Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Am Rande des sichtbaren Universums Bild zeigt die am weitesten entfernten Galaxien Entfernung: 13 × 10 9 Lichtjahre 1,2 × m Alter des Universums: 13,7 Milliarden Jahre Bild zeigt 700 Millionen Jahre junges Universum! Aber wie ist unser Universum entstanden?

9 9Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Der Urknall Vor 13,7 Milliarden Jahren wurde das Universum geboren! Entstehung von Materie, Raum und Zeit Am Anfang gab es eine Menge verschiedener Elementarteilchen (nicht weiter zerlegbare Teilchen) Diese Teilchen waren frei und noch nicht in Materie eingesperrt Diese Zeit werden wir nun nachspielen!

10 10Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Spielregeln I 1.Ich komme mit einem Kübel voller Teilchen zu euch, jeder sucht sich ein Teilchen aus 2.Jeder bleibt dabei ruhig an seinem Platz sitzen 3.Jeder sieht sich sein Teilchen gut an und versucht es sich zu merken (Buchstabe, Symbol) e-e- u u d e g W+W+

11 11Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Spielregeln II 4.Zu Beginn waren alle Teilchen am Leben und frei 5.Wer am Leben ist, hält das Teilchen weiter in der Hand 6.Teilchen können aber aussterben 7.Wer stirbt, gibt das ausgestorbene Teilchen zurück in den Kübel Nicht vergessen, die Teilchen sind nur ausgeborgt! e-e- u u d e g W+W+

12 12Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Der Urknall und die Elementarteilchen Zu Beginn war Universum extrem heiß und extrem dicht Dadurch entstanden eine Menge verschiedenster Elementarteilchen Diese Teilchen flogen wild umher und bewegten sich frei °C = °C e-e- u d e g

13 13Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Der Urknall und die Elementarteilchen Universum dehnt sich aus und kühlt sich dabei ab Je kälter es wird, desto langsamer bewegen sich die Teilchen Für manche Teilchen ist es bereits zu kalt, sie sterben aus! °C = °C e-e- u d e g

14 14Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Die Elementarteilchen verschwinden … Als erstes stirbt das schwere Higgs-Teilchen aus (wir Physiker glauben fest daran, daß es das Teilchen gibt!) °C = °C Wer dieser Teilchen hat, muss es nun in den Kübel zurückgeben! H

15 15Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Die Elementarteilchen verschwinden … Weiters sterben nun die folgenden Teilchen aus: –das t Quark –das b Quark τ –das τ Lepton τ –das τ Neutrino Es verschwinden dabei auch die jeweiligen Antiteilchen! (die mit den Strich/Plus) Antiteilchen = Zwillingsbruder eines Teilchens °C = °C - t + tt bbb ttt bbb

16 16Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Die Elementarteilchen verschwinden … Nun sterben noch diese Teilchen aus: –das c Quark –das s Quark –das μ Lepton –das μ Neutrino Es verschwinden wie immer dabei auch die jeweiligen Antiteilchen! °C = °C - c + cc sss ccc sss

17 17Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Die Elementarteilchen verschwinden … Ganz zum Schluß verschwinden noch die restlichen Antiteilchen: –das u Anti-Quark –das d Anti-Quark –das e Anti-Lepton –das e Anti-Neutrino Wann ist das alles passiert? Wie lang hat all dies gedauert? Alles geschah in allererster Sekunde nach dem Urknall! Welche Teilchen sind nun übrig? Haltet die Teilchen mal hoch! °C = °C e+e+ e uuu ddd

18 18Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Die restlichen Elementarteilchen Materieteilchen: –up und down Quarks in allen Farben –Elektron e - –Elektron-Neutrino e Kraftteilchen: –Photon (Lichtteilchen) –W- und Z-Teilchen –8 farbige Gluonen (Klebeteilchen) Elementarteilchen, kommt zu mir nach vorne! e g g W+W+ W-W- Z0Z0 e-e- uuu ddd

19 19Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Die restlichen Elementarteilchen Mit diesen Teilchen bauen wir nun unsere alltägliche Welt auf! Dazu brauchen wir zuerst: –up und down Quarks –Elektron e - –Photon –Gluonen Die anderen Teilchen brauchen wir später! e-e- udu ggg g gg g

20 20Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Das Proton Wichtigster Teil eines Atomkerns Besteht aus zwei up & einem down Quark Wichtig! Farbe rot, grün & blau muß jeweils einmal vorkommen! Damit Quarks zusammenbleiben braucht man starke Kraft (Kernkraft) via farbigen Gluonen d u u ggg g gg g rot + grün + blau = weiß (Regenbogen!) P+P+

21 21Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Das Wasserstoffatom P+P+ e-e- Gebundener Zustand dank Elektromagnetismus Austausch eines Photons Gebt nun Teilchen des Atoms in den Kübel und setzt euch wieder hin!

22 22Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Größe eines Atoms m P+P+ e-e- < m m m = 0, m

23 23Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Das Neutron Ebenfalls Teil des Atomkerns Besteht aus einem up & zwei down Quarks Farbe rot, grün & blau muß wieder jeweils einmal vorkommen! Ebenfalls wieder starke Kraft (Kernkraft) via farbigen Gluonen nötig d d u ggg g gg g rot + grün + blau = weiß N0N0

24 24Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Das Heliumatom P+P+ e-e- P+P+ N0N0 N0N0 e-e- 2 Protonen 2 Neutronen 2 Elektronen

25 25Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Das Periodensystem der Elemente Alle anderen Elemente entstehen durch Einbau von weiteren Teilchen im Atomkern und Elektronen in der Atomhülle Entstanden im frühen Universum, in den Sternen und bei Supernovas All diese Elemente bauen unser Universum auf! Aber was ist mit den übrig gebliebenen Elementarteilchen?

26 26Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Die schwache Kraft Restliche Elementarteilchen –Elektron-Neutrino –W- und Z-Teilchen kommen nicht in den Atomen vor! Dennoch sehr wichtig z.Bsp. für Kernfusion in der Sonne (dadurch brennt sie überhaupt!) e W+W+ W-W- Z0Z0 Gebt Teilchen zurück in den Kübel und setzt euch wieder hin!

27 27Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Das Standardmodell der Elementarteilchen - c s Materie e-e- e u d - t b + c s + t b e+e+ Antimaterie u e d 1. Gen.2. Gen. 3. Gen. 1. Gen.2. Gen. 3. Gen. Müonen existieren dennoch auch heute noch für sehr kurze Zeit in der kosmischen Höhenstrahlung! Sie werden in der Funkenkammer sichtbar gemacht!

28 28Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Kräfte g g g g g g W+W+ W-W- Z0Z0 ggg g g Elektromagnetische Kraft Photon Schwache Kraft W- u. Z-Teilchen Starke Kraft Gluonen Gravitation? Extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften! (Muskelkraft vs Schwerkraft der Erde)

29 29Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Mit Lichtgeschwindigkeit zurück zu unserer Alltagswelt Elemente (=Atome) verbinden sich zu Molekülen Moleküle sind die Bestandteile von Zellen Zellen bauen alles Lebende auf: –Pflanzen –Tiere –Menschen!

30 30Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Wie kann man Elementarteilchen erforschen? … mit dem Mikroskop? NEIN –Auflösung des Mikroskops viel zu gering! –Außerdem: die interessanten Elementarteilchen sind ja ausgestorben! … mit einem Teilchenbeschleuniger? JA –Dadurch kann man Teilchen wieder zum Leben erwecken und –genauestens studieren!

31 31Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Geladene Teilchen (z.Bsp. Protonen) werden auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt Dadurch erhalten Teilchen extrem hohe Energien

32 32Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Bringt man diese Teilchen frontal zur Kollision, geben sie ihre Energie wieder frei Es entstehen kurzfristig wieder extrem heiße Zustände wie kurz nach dem Urknall (Mini-Urknall) Dadurch entstehen wieder Elementarteilchen, welche zuvor ausgestorben sind! - t b + t b H H H t t b

33 33Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Es entstehen sogar neue, noch ganz unbekannte Teilchen! Durch neue Teilchen erfahren wir mehr über den Aufbau unseres Universums! Diese neuen Teilchen kann man in riesigen Detektoren untersuchen … ? Dunkle Materie? SUSY Teilchen? …

34 34Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank Der L arge H adron C ollider

35 35Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank


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