Hands on Particle Physics Masterclass Oliver Grünberg 1

Fahrplan Einführungsvortrag (45 Min.) Diskussion & Pause (20 Min.) Einführung in die Messungen (30 Min.) Datenauswertung & Pause (75 Min.) Ergebnisanalyse & Diskussion (15 Min.) Abschlussquiz (20 Min.) Vorstellung des Netzwerkes Teilchenwelt (10 Min.) 2

Einführung in die Teilchenphysik 3

Wozu Teilchenphysik? Klärung der Grundfragen der Physik Welche elementaren Teilchen gibt es ? Welche Kräfte gibt es ? Wie entstand unser Universums ? Gibt es eine Weltformel ? 4

Von groß nach klein …. und weiter ? Auflösung bis ca. 1mm Auge Auflösung bis ca. 1µm = 0,001mm Lichtmikroskop …. und weiter ? 5

Wie sehen wir Strukturen? Sehen = Abbilden ! Wir sehen nur ein Abbild des Objekts Photonen „tasten“ Oberfläche des Objekts ab Genauigkeit des Abbilds ist begrenzt durch Eigenschaften der „Lichtquelle“ und des Detektors Objekt Lichtquelle Detektor 6

Auflösung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten Keine Auflösung der Punkte/Lücke falls „Photonen > Struktur“ Detektor 1. 2. 3. 7

Auflösung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten Kleine Strukturen  „kleine“ Photonen Größe der Lichtteilchen gegeben durch Wellenlänge λ Sichtbares Licht: λ= 400 – 800 nm Auflösung für Auge somit stark begrenzt! 1. 2. 3. Detektor 8

Neue Wege zur Untersuchung Benutze anderes Teilchen als Photon Quantenphysik sagt uns: h – Planckkonstante p – Impuls des Teilchens: p=m*v Folgerung: Teilchen mit hohem Impuls haben kleine Wellenlänge: Nutze schnelle Elektronen statt Photonen Elektronenmikroskop 9

Virus   Silizium- kristalle 10

Entdeckung der Atomstruktur Rutherford Streuexperiment (1910) + Elektron + Atomkern 11

Entdeckung der Quarks Beschuss von Protonen mit schnellen Elektronen Streuung der Elektronen an Quarks Detektor 12

Grundlagen 1803: Elemente bestehen aus unteilbaren Einheiten (Atomen) 1897: Entdeckung des Elektrons 1910: Atome haben Kern und Schale 1935: Kern besteht aus Protonen & Neutronen 1960er: Protonen & Neutronen bestehen aus Quarks 13

Bekannte Materieteilchen Bekannte Materie besteht aus Teilchen der 1. Familie Je höher die Familie desto schwerer die Teilchen 2. und 3. Familie nur kurz nach dem Urknall vorhanden 14

Bewegungsgesetze Wir wissen jetzt woraus Materie besteht, aber wie verhält sie sich? Bsp: Flugkurve beim Kugelstoßen Newtonsche Mechanik: 15

Bewegungsgesetze Kräfte sind die Ursache für Bewegungen (Dynamik) Es gibt 4 bekannte Kräfte im Universum Gravitation, Elektromagn., starke Kraft, schwache Kraft Ab 1925: Quantenmechanik (Atome, Moleküle) Ab 1928: Quantenfeldtheorie für schnelle Teilchen (Teilchenbeschleuniger) 16

Kräfte und Ladungen Zu jeder Kraft gehört eine Ladung Teilchen tragen Ladungen Kräfte koppeln an die Ladung eines Teilchens (Bsp. F=m*g  Gravitation ~ Masse) Kräfte können abstoßend oder anziehend sein Kraftwirkung = Übertragung von Energie und Impuls durch Kraftteilchen Photon 17 Elektron Elektron

Ladungen von Teilchen 4 fundamentale Wechselwirkungen 4 fundamentale Ladungen: 1. Farbladung  Starke Wechselwirkung 2. Elektr. Ladung  Elektromagnetismus 3. Schw. Ladung  Schwache Wechselwirkung 4. Energie, Masse  Gravitationskraft Summe der Ladungen bleibt erhalten Ladungen eines Teilchens beeinflussen sich nicht gegenseitig 18

Bsp.: die 3 Gesichter eines Quarks Photon (el. Ladung) Gluon (Farbe) Quark Q=-1/3, +2/3 F=R,G,B T=1/2,0 W,Z (Schwache Ladung) 19

Die elektromagnetische Kraft Eigenschaften Ladung: elektrische Ladung Q Kraftteilchen: Photon Empfänger: Quarks, Elektronen, Protonen Reichweite: , Stärke: Beispiele: Laser, Radiowellen, Röntgenbilder, chemische Bindungen 20

Die starke Kraft Eigenschaften Ladung: 3 Farbladungen - rot, grün, blau Kraftteilchen: Gluon Empfänger: Gluon, Quark, Proton, Neutron Reichweite: Stärke: Beispiele: stabile Atomkerne, Quarkbindung zu Proton: Pion: 21 21

Die schwache Kraft Eigenschaften Ladung: schwache Ladung (T = 1/2,0) Kraftteilchen: W±, Z0 Empfänger: Quarks, Leptonen Reichweite: Stärke: Beispiele: Beta-Zerfall von Neutron und Proton 22

Die Gravitation Ladung: Energie, Masse Kraftteilchen: Graviton(?) Stärke: Reichweite: Beispiele: Erdanziehung, Planetensysteme, Schwarze Löcher 23

Zusammenfassung Kräfte 24

Feynman-Diagramme Darstellung der Wechselwirkungen Berechnungen anhand der Graphen möglich Bsp. W- Elektron-Elektron Streuung Elektromagn. WW. Myon-Antimyon Vernichtung Elektromagn. WW. Myon-Zerfall Schwache WW. 25

Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte Basis der Quantenfeldtheorie: starke Kraft (Atomkern) + schwache Kraft (Beta-Zerfall) + Elektromagnetismus (Licht, Radiowellen) Zerfälle und Wechselwirkungen berechenbar „Standardmodell der Teilchenphysik“ (SM) 26

Offene Fragen 1. Frage: Wo kommt die Masse her?  Higgs-Mechanismus Im SM sind alle Teilchen masselos WW des Higgs-Teilchen mit anderen Teilchen verleiht Masse Vakuum: Higgs-Teilchen alleine reelles Teilchen „zieht“ HiggsT. an  Teilchen wird massiv 27

Offene Fragen 2. Frage: Wie entstand unser Universum? 28

Offene Fragen 3.Frage: Woraus besteht unser Universum? bekannter Materie macht nur 4% unseres Universums aus 29

Offene Fragen 4. Frage: Gibt es eine Weltformel? Zusammenführen von Theorien schon teilweise gelungen! Schwache Wechselwirkung Elektrostatik Magnetostatik Elektrodynamik QED Starke Wechselwirkung Gravitation Elektroschwache Wechselwirkung Große Vereinheitlichung Weltformel – „Theory of Everything“ 2010 30

Offene Fragen 5. Haben Quarks Unterstrukturen? 6. Weitere Elementarteilchen? 7. Weitere Dimensionen? … es gibt noch viel zu tun! 31

Messung des Z0-Zerfalls 2.Teil Messung des Z0-Zerfalls 32

Das Opal-Experiment Vielzweck-Experiment am CERN von 1989 bis 2000 Ziel: Erforschung des Z0 und seiner Zerfälle Grundprinzip: Kollision von e+ und e- und Erzeungung von Z0 33

… GeV/c²? Das Z0-Boson 1960er: Vorhersage in der Theorie der elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er: genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: Masse = 91,2 GeV/c² … GeV/c²? 34

Masse und Energie Einstein sagt: E=mc²  m=E/c² Umrechnung: Nutze Einheit Elektronenvolt: Typische Größe: 1`000`000 eV = 1MeV Bsp. m(γ)=0 MeV/c² m(e-) = 0.5 MeV/c² m(µ-) = 106 MeV/c² m(p+) = 938 MeV/c² m(Z0) = 91200 MeV/c² = 91,2 GeV/c² 35

Das Z0-Boson 1960er: Vorhersage in der Theorie der elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er: genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: Masse = 91,2 GeV/c² ≈ 97 H-Atome Elektrisch neutral Lebensdauer: Unterliegt der schwachen WW und Gravitation 36

Zerfälle von Teilchen Fast alle Teilchen sind instabil und Zerfallen (außer Proton, Photon, Elektron) Art und Weise der Zerfälle durch Naturkräfte bestimmt Teilchenphysiker rekonstruieren Teilchen aus seinen langlebigen Zerfallsprodukten Bsp: Betazerfall: n → p + e- + ν Wichtig für alle Zerfälle: Messung von Energie & Impuls Energie- & Impulserhaltung 37

Ergebnis der Neutronrekonstruktion Lebensdauer (τ) und Energiebreite (σ) sind verknüpft: 38 38

Lebensdauer und Zerfallsbreite Die Lebensdauer/Zerfallsbreite eines Teilchens ist abhängig von Zahl der möglichen Zerfälle („Zerfallskanäle“)  n „Je mehr Löcher desto schneller ist der Eimer leer“ Je mehr Zerfälle desto breiter das Energiespektrum 1 2 3 39

Bedeutung des Z0 Zentrale Frage: Wieviele Teilchen -Generationen gibt es? Besonderheit des Z0: Es zerfällt nur in Teilchen einer Familie! 40

Zerfallsbreite des Z0 Breite gibt Aufschluss über Zahl der Familien = Zahl der Neutrinos Zerfallsbreite des Z0 spricht für 3 Neutrinosorten  3 Teilchenfamilien 41

Zerfallswahrscheinlichkeit Heute: Messe die Zerfallswahrscheinlichkeiten des Z0 Definition: Betrachte 4 Zerfallsmöglichkeiten: 1. Z0  e+ e- 2. Z0  µ+ µ- 3. Z0  τ+ τ- 4. Z0  quark anti-quark 42

Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 43

Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 44

Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor Kalorimeter aus Bleiglas Myonen- Detektor 45

Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 46

Backup 47

Der Teilchenzoo 48

Quantenphysik & Relativität Energie-Masse Äquivalenz: E=mc² Genauer: Falls: Masse: unveränderlicher Teil der Gesamtenergie (Bsp. Kugel) E² = m² + p² E p m 49 49

Lebensdauer und Zerfallsbreite 1. Schwere Teilchen zerfallen immer in leichtere, wenn möglich! 2. Der Zerfall eines Teilchens ist ein statistischer Prozess!  Manche Z0 leben länger als andere Zerfallsgesetz: 50

Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Klassisch 51

Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Modern 52

Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Modern 53

Streuversuche 54