Kinetische Gastheorie Boltzmann Maxwell Elektromagnetismus Newton Teilchen Felder Universum Technologien Elektro- magnetismus Schwache WW Starke WW Detektor Beschleuniger 1895 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 e- Brownsche Bewegung Radio-aktivität Photon 1905 Atom Spezielle Relativität Geiger Kern Höhen-strahlung Allgemeine Relativität Quantenmechanik Welle-Teilchen Dualismus Spin/Fermion-Boson Wolken p+ Galaxien; Ausdehnung des Universums n Antimaterie Fermi Theorie e+ Zyklotron Yukawa π Austausch μ - Dunkle Materie Kernfusion Teilchen- zoo π P, C, CP Verletzung Synchrotron QED τ- Big Bang Nukleosynthese Blasenkammer p- νe W Bosons e+e- Ring νμ Higgs Kosmische Hintergrundstrahlung Vieldrahtkammer u d s EW Vereinigung Strahlkühlung GUT QCD Farbladung 3 c Prozessrechner 1975 τ- STANDARD MODEL SUSY b Superstrings g Inflation p+p- Ring W Z Moderne Detektoren Inhomogenität der Hintergrundstrahlung(COBE, WMAP) 3 Teilchenfamilien WWW t ντ Dunkle Energie ν Masse GRID

Leptons 1975 MIT DER NEUEN LOGIK DER LEPTON-QUARK SYMMETRIE Gerade war das Standard-Modell mit zwei Familien von Leptonen und Quarks etabliert ... ...da fand man am SLAC ein drittes Lepton! Ein neues ‘schweres Elektron’ mit M= 3500 me ... und wer hatte das bestellt? MIT DER NEUEN LOGIK DER LEPTON-QUARK SYMMETRIE ein weiteres Neutrino (the ‘tau neutrino’), und zwei weitere Quarks (‘top’ and ‘bottom’). Marty Perl's Logbook

Quarks 1975 Die Suche nach den fehlenden Familienmitgliedern begann ... new u c t e- µ- τ- d s b νe νμ νt Quarks Leptons

Entdeckung des ‘Bottom’ Quark (Fermilab) Quarks 1977 Entdeckung des ‘Bottom’ Quark (Fermilab) u c t e- µ- τ- d s b νe νμ νt Quarks Leptons 1977 entdeckten Physiker am Fermilab (nahe Chicago) ein neues Meson (genannt ‘Upsilon’) Seine Eigenschaften passten auf den ‘Steckbrief’ eines Mesons, das aus einem bottom/anti-bottom Quark Paar bestand. Daraus folgte dass das Bottom quark die elektrische Ladung -1/3 und eine Masse von ca. 5 GeV hatte.

Entdeckung des ‘Top’ Quark (Fermilab) Quarks 1995 c u d s Quarks t b Entdeckung des ‘Top’ Quark (Fermilab)

Kinetische Gastheorie Boltzmann Maxwell Elektromagnetismus Newton Teilchen Felder Universum Technologien Elektro- magnetismus Schwache WW Starke WW Detektor Beschleuniger 1895 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 e- Brownsche Bewegung Radio-aktivität Photon 1905 Atom Spezielle Relativität Geiger Kern Höhen-strahlung Allgemeine Relativität Quantenmechanik Welle-Teilchen Dualismus Spin/Fermion-Boson Wolken p+ Galaxien; Ausdehnung des Universums Neutrino trail n Antimaterie Fermi Theorie e+ Zyklotron Yukawa π Austausch μ - Dunkle Materie Kernfusion Teilchen- zoo π P, C, CP Verletzung Synchrotron QED τ- Big Bang Nukleosynthese Blasenkammer p- νe W Bosons e+e- Ring νμ Higgs Kosmische Hintergrundstrahlung Vieldrahtkammer u d s EW Vereinigung Strahlkühlung GUT QCD Farbladung c Prozessrechner 1975 τ- STANDARD MODEL SUSY b Inflation p+p- Ring Superstrings g W Z Moderne Detektoren Inhomogenität der Hintergrundstrahlung(COBE, WMAP) 3 Teilchenfamilien WWW t ντ Dunkle Energie ν Masse GRID

Entdeckung des (Elektron) Neutrinos 1956 Die Geschichte der Neutrinos Entdeckung des (Elektron) Neutrinos Kernreaktoren (n-Zerfall) sind eine starke Anti-Neutrino-Quelle Koinzidenz-Signal von Positron-Annihilation und Neutroneneinfang Fred Reines

𝜈e ↔ e- 𝜈μ ↔ μ- Neutrinos 1962 "Muon" Neutrino Leptonenerhaltungssatz: es muss auch ein ‘Muon’-Neutrino geben 𝜈e ↔ e- 𝜈μ ↔ μ- Jack Steinberger, 1962

Entdeckung des Tau-Neutrinos (2000) DONUT collaboration (Fermilab)

Es gibt genau 3 Familien von Neutrinos (mit M < 45 GeV) 1992 Es gibt genau 3 Familien von Neutrinos (mit M < 45 GeV) Am LEP wurde die Zerfallsbreite des Zo gemessen

νe νμ νt Haben Neutrinos eine Ruhemasse ? Neutrino-Oszillationen 1956-1999 Haben Neutrinos eine Ruhemasse ? νe νμ νt Neutrino-Oszillationen Teilchen werden durch Wellen (mit definierter Frequenz) beschrieben Wenn die Frequenz ähnlich ist entstehen ‘Schwebungen’ ---> Neutrino-Oszillationen

Entdeckung von Neutrino-Oszillationen 1998 Entdeckung von Neutrino-Oszillationen Muon-Neutrinos werden von kosmischen Strahlen in der oberen Atmosphäre und nachfolgendem Pion- und Muon-Zerfall erzeugt. Beobachtung: ein Defizit von etwa 50% dieser Muon-Neutrinos, die von “unten” kommen sollten (Erddurchquerer) Erklärung: diese Muon-Neutrinos oszillieren in einen anderen Neutrino-Typ (z.B. Tau-Neutrinos)

Neutrinos besitzen eine Masse Neutrino Oscillations 1999 Neutrinos besitzen eine Masse Man kennt zwar ihre absolute Masse nicht (der Limit für das Elektron-Neutrino ist ca. 3 eV), aber man kennt die Massendifferenzen. ~8·10-5 eV2 ~ 2.5·10-3 eV2

DAS STANDARD MODEL (heute)

Kinetische Gastheorie Boltzmann Maxwell Elektromagnetismus Newton Teilchen Felder Universum Technologien Elektro- magnetismus Schwache WW Starke WW Detektor Beschleuniger 1895 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 e- Brownsche Bewegung Radio-aktivität Photon 1905 Atom Spezielle Relativität Geiger Kern Höhen-strahlung Allgemeine Relativität Quantenmechanik Welle-Teilchen Dualismus Spin/Fermion-Boson Wolken p+ Galaxien; Ausdehnung des Universums n Antimaterie Fermi Theorie e+ Zyklotron Yukawa π Austausch μ - Dunkle Materie Kernfusion Teilchen- zoo π P, C, CP Verletzung Synchrotron QED τ- Big Bang Nukleosynthese Blasenkammer p- νe W Bosons e+e- Ring νμ Higgs Kosmische Hintergrundstrahlung Vieldrahtkammer u d s EW Vereinigung Strahlkühlung GUT QCD Farbladung c Prozessrechner 1975 τ- STANDARD MODEL SUSY b g Inflation p+p- Ring Superstrings W Z Moderne Detektoren Inhomogenität der Hintergrundstrahlung(COBE, WMAP) 3 Teilchenfamilien WWW t ντ Dunkle Energie ν Masse GRID ?????????????????????

DIE RÄTSEL DES 21. JAHRHUNDERTS 1) Wie kommen Teilchen zu ihrer Masse - durch das “Higgs” Feld ? 1 TeV 100 GeV 1 GeV 1 MeV 0.01 eV 16

Was ist so besonders am Higgs-Feld? DIE RÄTSEL DES 21. JAHRHUNDERTS Was ist so besonders am Higgs-Feld? Es füllt das gesamte Universum gleichmässig (seit dem Big Bang) Es gibt jedem Teilchen (auch den neu entstehenden) seine exakte Masse Sir Peter Higgs Es ist wie eine ‘kosmische DNS’ (die ‘Erbinformation’ des Universums) Eine Party-Gesellschaft ... Das Higgs-Feld ... .. ein berühmter Gast will den Raum durchqueren... ... ein neues Teilchen wird erzeugt ... .. wird aber von den Gästen umringt und kommt nur schwer voran... ... das Higgs-Feld macht das Teilchen ‘schwer’ ...

Das Higgs-Teilchen DIE RÄTSEL DES 21. JAHRHUNDERTS Sir Peter Higgs Ein Gerücht wird in die Party-Gesellschaft gerufen ... Das Higgs-Feld ... .. alle kommen zusammen und tuscheln über die Nachricht... ... erzeugt seine erste Anregung, das Higgs-Teilchen ...

Versuch einer Visualisierung des Higgs-Feldes / Higgs-Bosons DIE RÄTSEL DES 21. JAHRHUNDERTS Versuch einer Visualisierung des Higgs-Feldes / Higgs-Bosons Wichtig: Es könnte aber auch andere Erklärungen geben, die ähnliche Effekte wie das Higgs-Feld erzeugen (z.B. Supersymmetrie)

Entdeckung eines neuen Teilchens am LHC (4.7.2012) DIE RÄTSEL DES 21. JAHRHUNDERTS Entdeckung eines neuen Teilchens am LHC (4.7.2012) Francois Englert Peter Higgs

Was genau wurde entdeckt? DIE RÄTSEL DES 21. JAHRHUNDERTS Was genau wurde entdeckt? Ein neues Teilchen mit einer Masse ~125 GeV, schwerer als W und Z Bosonen, leichter als ein Top Quark Signifikanz der Entdeckung: ATLAS: 5.9 σ CMS: 5.0 σ Ein Boson (Spin 0 oder 2), da es in zwei Photonen zerfallen kann Noch unklar: Ist es DAS Standardmodell Higgs-Boson? Oder ein SUSY Higgs? Dann sollte es mindestens 5 verschiedene Higgs-Teilchen geben (und wir haben nur das erste davon gefunden) Wir werden Ende 2012 mehr wissen… > 1 : 1’000’000

DIE RÄTSEL DES 21. JAHRHUNDERTS 2) Supersymmetrie zwischen Teilchen und Feldern ? ‘Materie’-Teilchen (Spin 1/2= Fermion) wechselwirken miteinander durch den Austausch von ‘Feld’-Teilchen (Spin 1= Boson). Alle Teilchen (Elektronen, Neutrinos, Quarks) wechselwirken durch W/Z Feldteilchen Teilchen mit elektrischer Ladung (e.g. Elektronen, Quarks) wechselwirken durch Photonen Teilchen mit Farbladung (Quarks) wechselwirken durch Gluonen Wenn es eine ‘Supersymmetrie’ zwischen Teilchen und Feldern gibt: Materie-Teilchen haben einen Feldteilchen-Partner Feldteilchen haben einen Materie-Teilchen-Partner Spin 1/2 Spin 0, Spin 1 electron selectron (S=0) quark squark (S=0) photino photon (S=1) gluino gluon (S=1) gaugino (Wino, Zino) W, Z (S=1) Noch nie wurde ein supersymmetrisches Teilchen beobachtet - falls sie existieren, müssen sie eine grosse Masse (>0.5-1 TeV) haben

Warum Supersymmetrie? 1) Eine fundamentale Raum-Zeit-Symmetrie 2) ‘Schutz’ des (skalaren) Higgs-Bosons (M ~ 102 GeV) vor dem Einfluss von Vakuumfluktuationen (~1019 GeV) 3) Vereinigung von elektroschwacher und starke WW bei ~1017 GeV 4) Mögliche Erklärung der kosmologischen Materie-Antimaterie-Asymmetrie 5) Dunkle Materie ?

= Supersymmetrie ist relativ einfach zu berechnen: γ = photon Teilchen und Super-Partner lassen sich einfach austauschen = e = electron e = selectron ~ γ = photon γ = photino ~

DIE RÄTSEL DES 21. JAHRHUNDERTS Wir+Planeten+Sterne SUSY = Dunkle Materie-Teilchen? Überbleibsel vom Big Bang?

DIE RÄTSEL DES 21. JAHRHUNDERTS Was sind Teilchen? Superstrings in 10 Dimensionen? Sind Teilchen kleine ‘Strings’ die im 10-dimensionalen Raum vibrieren? Länge ~10-35 m (Planck Länge) Verschiedene Schwingungsmoden entsprechen verschiedenen Teilchen Graviton ist im Spektrum enthalten! Aber: Es gibt keine Voraussage, warum und wie die zusätzlichen Dimensionen verschwunden sind. Es gibt keine eindeutige Möglichkeit, die Eigenschaften der Teilchen vorherzusagen. Quanten-Gravitation ? ‘Sieht’ ein Graviton mehr als 3 Raumdimensionen? Die Gravitation könnte deshalb so schwach sein weil sich die Gravitation in 4 oder mehr Raum-Dimensionen ausbreitet und damit aus unserem 3-dimensionalen Universum entkommt. Kollisionen im LHC könnten dann mikroskopische schwarze Löcher erzeugen.

Die Fragen des 21. Jahrhunderts 1900 - 2000: Phantastischer Fortschritt im Verständnis von Materie und Universum Wir wissen heute woraus die Materie besteht. Wir kennen auch die wichtigsten Etappen in der Entstehung des Universums Neue, tiefere Fragen: Was sind Teilchen? Sind Quarks und Leptonen wirklich elementar? Was macht die ‘Teilchenfamilien’ aus? Warum gibt es genau drei? Wo liegt die Verbindung zwischen Quarks und Leptonen (identische Ladung!!) Was ist die dunkle Materie? Was ist dunkle Energie? Wie ist die Antimaterie verschwunden? Was hat die kosmische Inflation ausgelöst? Was ist der Ursprung der Naturkonstanten? Was bestimmt ihre relative Grösse? Ist das Leben im Universum ein Zufall? Kann die Natur durch ein einziges Gesetz beschrieben werden? Warum hat das Vakuum eine so geringe Energie? Die Physik des 21. Jahrhunderts ...