An der Grenze des Stofflichen Vortrag zur Ausstellung “Elementarteilchenphysik”  im BRG 10 An der Grenze des Stofflichen H. Eberl Institut für Hochenergiephysik der ÖAW Nikolsdorfer Gasse 18, 1050 Wien

Meine wissenschaftliche Tätigkeit Wo bin ich angestellt? am Hephy (Institut für Hochenergiephysik) Was mache ich dort? Ich bin theoretischer Physiker und arbeite auf dem Gebiet derSupersymmetrie Welche “Werkzeuge” brauche ich? Höhere Mathematik Physik: Spezielle Relativitätstheorie, Quantenmechanik , Symmetrien Quantenfeldthorie

Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften 1050 Wien, Nikolsdorfer Gasse 18 Hochenergiephysik = (Elementar) Teilchenphysik Gegründet: 1966 Experimentelle Hauptaufgaben: • Teilnahme an Experimenten der Teilchenphysik am Europ. Forschungszentrum CERN in Genf • derzeit auch an einem Experiment im Forschungslab KEK in Japan beteiligt

23 Experimentalphysiker 4 Theoretische Physiker Mitarbeiter 23 Experimentalphysiker 4 Theoretische Physiker 13 Techniker 4 EDV-Spezialisten 4 Mechaniker 3 Administration Ex Th Techn EDV Mech Ad Experimentalphysiker: 19 unbefristet 4 befristet Theoretische Physiker: 3 unbefristet 1 befristet

Projekte Experimente: Theorie/ Konferenzen Phänomenologie CMS NA48 BELLE Theorie/ Phänomenologie Konferenzen Ausstellungen Fachbereiche : Halbleiterdetektoren Algorithmen und Softwareentwicklung Physikalische Datenanalyse Elektronik I Elektronik II Rechentechnik Werkstatt

Theorie/Phänomenologie

Mitarbeiter Walter Majerotto Helmut Eberl Wolfgang Lucha Christian Weber – Doktorand, befristet angestellt Karol Kovarik - Doktorand Wilhelm Öller – Doktorand Goran Milovanovic - Diplomand Bernhard Schraußer – Diplomand Georg Sulyok – Diplomand

Supersymmetrie (SUSY) Arbeitsgebiete Supersymmetrie (SUSY) H. Eberl, K. Kovarik, G. Milovanovic, W. Majerotto, W. Öller, B. Schraußer, Georg Sulyok, C. Weber Bindungszustände von Quarks, Endliche Quantenfeldtheorien W. Lucha (Organisator von Austellungen)

Theorie - Experiment In der Theorie werden unterschiedliche mögliche Modelle studiert und damit Vorhersagen getroffen. Experimente vergleichen diese Vorhersagen mit gemessenen Größen und finden somit heraus, welches Modell die Realität am besten beschreibt. Um nun im Mikrokosmos etwas “sehen” zu können, brauchen wir einen Apparat zum Vergrößern.

Mikroskop - Beschleuniger Da bietet sich vor allem das Mikroskop an. Der mögliche Vergrößerungsfaktor x hängt nun vom Auflösungsvermögen ab, in einfachen Worten: Bis zu welchem kleinen x kann man zwei Punkte noch als getrennte Objekte erkennen? Das hängt von der Wellenlänge des verwendeten Untersuchungsstrahles (klassisch: Licht) ab. Je kleiner seine Wellenlänge, desto hochenergetischer wird der Untersuchungs-strahl (Planck: Eg = h c/l) und desto tiefer dringt man in den Mikro-kosmos vor. Welle-Teilchen Dualismus: Elementarteilchen sind zugleich Welle und Teilchen! De Broglie, 1924, Elektron: l = h/p ~ h/(2 me e U)1/2 ~ 12.3 /(U/Volt)1/2 U -Beschleunigungsspannung

LHC (large hadron collider) ~ 10-18 m Lichtmikroskop – x bis ca. 1000 fach ~ mm = 10-6 m Elektronenmikroskop – x in Praxis bis ca. 1000 000 fach ~ nm = 10-9 m Beschleuniger: Energie so hoch, daß neue Teilchen erzeugt werden können (Einstein: E = m c2) LEP ist seit 2002 nicht mehr im Betrieb. LEP ~ 10-16 m = 0.000 000 000 000 000 1 m! LHC (large hadron collider) ~ 10-18 m Proton-Proton Kollisionen Der LHC ist derzeit noch im Bau, Fertigstellung 2007 (?) LHC und LEP gehören zu den sogenannten Ringbeschleunigern. LHC wird anstatt LEP in den LEP-Tunnel eingebaut. Der Tunnel ist ringförmig, hat einen Umfang von 27 km, und befindet sich im CERN/Genf.

Prinzip eines Kreisbeschleunigers

Das CMS-Experiment Moderne Experimente CMS - Das “Compact Muon Solenoid”   CMS ist eines der beiden großen Universalexperimente zur Vermessung der Proton/Proton-Kollisionen am LHC. An diesem Experiment nehmen über 1900 WissenschaftlerInnen aus 160 Instituten (darunter auch HEPHY) aus 36 Ländern teil. Der Spektrometermagnet ist der größte supraleitende Magnet, der je gebaut wurde. Für die Bauteile des hochauflösenden inneren Silizium-Spurendetektors ist Hephy eines der Produktions- und Kontrollzentren. Eine andere Gruppe des Instituts arbeitet am schnellen Nachweis von Myon, die vielfach eine Signatur für mögliche neue Teilchen sein können. Solche Ereignisse müssen aus einer Milliarde Wechselwirkungen/s herausgefischt werden. Am zweiten Großexperiment, “ATLAS”, ist die Universität Innsbruck beteiligt.

Das CMS-Experiment Endcaps der Driftkammer Endcaps des Kalorimeters Moderne Experimente Das CMS-Experiment Endcaps der Driftkammer Endcaps des Kalorimeters Stand Juni 2004

Kräfte Teilchen Teilchen Kraft – Feld Bosonen Fermionen Spin 1 bilden Materie = Stofflichkeit Photon, W- und Z-Bosonen, Gluonen, Gravitonen (?) Welle-Teilchen Dualismus: elektromagnetische, schwache, starke Kraft, Gravitation Kraft – Feld Teilchen =Wechselwirkung spin = Eigendrehimpuls

Symmetrien-Erhaltungssätze

Das Symmetrieprinzip: Bestimmte Transformationen müssen die Form der Naturgesetze unverändert lassen. Auch bei Spiegelung und Farbänderung bleibt die Monroe immer die Monroe

Erhaltungssatz zur Folge! Emmy Noether 1918: Jede Symmetrieeigenschaft hat einen Erhaltungssatz zur Folge! Einige Beispiele: Parität x’ = - x Absolut rechts (links) Bose-Einstein oder Fermi-Dirac Statistik Permutation Austausch identischer Teilchen Drehimpuls Drehung Isotropie des Raumes Energie t’ = t + t0 Homogene Zeit Impuls x’ = x + x0 Homogener Raum Erhaltungsgröße Symmetrie-transformation Symmetrieeigenschaft

n p + e- + ne Ein konkretes Beispiele: Neutronzerfall Neutron zerfällt in ein Proton + Elektron + Antielektronneutrino Energieerhaltung: mn > mp + me 1.00867 > 1.00727 + 0.00055 Impuls- und Drehimpulserhaltung (führte zur Entdeckung des Elektronneutrinos) Erhaltung der elektrischen Ladung: 0 = +1 – 1 + 0 Erhaltung der Baryonzahl: +1 = +1 + 0 + 0 Erhaltung der Leptonzahl: 0 = 0 + 1 - 1

Symmetriebrechung In der Natur sind Symmetrien selten streng erfüllt. Erst daraus folgt deren Schönheit! Beispiele: Teilchen-Antiteilchen Asymmetrie Supersymmetrie muß gebrochen sein. Isospin ist bei schwacher Kraft gebrochen, … Higgseffekt – spontane Symmetriebrechung Teilchen erhalten dadurch erst Masse!

Teilchenphysik und Kosmologie t = 105 y t = 3 min t = 10-10 s t = 10-35 s t = 0 s Einleitung für den Vortrag – Zusammenhang von dem ganz Kleinem und dem ganz Großen: Das frühe Universum Der Beginn unseres Universums ist durch einen Zustand hoher Energiedichte charakterisiert. Unmittelbar nach dem Urknall liegt die Energie pro Teilchen in der Größenordnung der Planck-Energie, 1019 GeV (“Gigaelektronenvolt”, wird später definiert), bei der alle vier Wechselwirkungen vereinigt sind. Darauf folgt eine Phase der Expansion, die mit einer Abkühlung ( Verringerung der Energiedichte ) einhergeht. Bei t = 10-35 Sekunden nach dem Urknall bzw. bei einer Energie von 1016 GeV spaltet sich die starke Wechselwirkung ab. Bei t = 10-10 s bzw. 102 GeV wird die elektro-schwache Symmetrie gebrochen, und die elektro-magnetische und die schwache Wechselwirkung entstehen. Viel später erst, bei t = 3 Minuten ist das Universum auf 0,1 MeV abkühlt und leichte Atomkerne können sich bilden. Atome, die Bausteine unserer Materie, entstehen erst nach 105 Jahren. Um die Phänomene am Beginn unseres Universums zu verstehen, müssen also verschiedene Bereiche der Physik herangezogen werden -- in der Reihenfolge: die Teilchenphysik, die Kernphysik und letztlich die Atomphysik. Die Teilchenphysik gestattet die Vorgänge in der allerersten Phase zu verstehen. Umgekehrt haben kosmologische Befunde, die diesen Zeitabschnitt betreffen, direkte Implikationen für die Teilchenphysik. Urknall: Alle vier Grundkräfte (Gravitation, elektromagnetische, schwache und starke Kraft) sind bei der sog. Planck-Energie (1019 GeV) vereinheitlicht Atome, die Bausteine der Materie, entstehen erst nach ca. 100.000 Jahren Leichte Atomkerne entstehen bei 0.1 MeV Elektroschwache Symmetriebrechung bei 102 GeV: Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung entstehen Die starke Kraft spaltet sich bei 1016 GeV ab

Das moderne Bild- das „Standardmodell“ Wechselwirkungen stark schwach Schwerkraft ? Schwache Kraft W, Z Elektromagn. Kraft g Starke Kraft Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) Fermionen (Spin ½) Leptonen Quarks Ladung ne nm nt +2/3 u c t m -1 e t -1/3 d s b d u d u das Standardmodell ist Grundlage des heutigen Verständnisses der Elementarteilchenphysik; es erlaubt theoretische Vorhersagen in mitunter atemberaubender Präzision, und hat sich bisher allen experimentellen Versuchen widersetzt, es zu widerlegen Es beschreibt eine Anzahl sog. Fundamentalteilchen, die selbst keine weitere innere Struktur besitzen, und ihre Wechselwirkungen, die sich auf vier physikalische Grundkräfte reduzieren. Diesen Wechselwirkungen werden ebenfalls fundamentale Teilchen zugeordnet, die diese Wechselwirkungen vermitteln es gibt zwei fundamentale Klassen von Fundamentalteilchen, die Leptonen und die Quarks. In beiden Klassen gibt es je drei Generationen von je zwei Teilchen (Dubletts). Quarks unterscheiden sich von Leptonen durch ihre Farbladung ( starke Kraft), die zwei Teilchen eines Dubletts durch ihre elektrische Ladung. Die unterschiedlichen Generationen unterscheiden sich nur durch die Masse der Teilchen. All diese Teilchen haben einen Eigendrehimpuls (Spin) von einem halben Wirkungsquantum. Wechselwirkungen sind eine Verallgemeinerung des Kraftbegriffs und schließen auch die Umwandlung von Teilchen ineinander ein. Sie werden durch Teilchen mit ganzzahligem Spin (bis auf die Schwerkraft Spin 1) vermittelt, die als Bosonen bezeichnet werden. die Schwerkraft ist bei weitem die schwächste Kraft (Beispiel: bei einem Sprung ist die Muskelkraft eines einzelnen Menschen größer als die Schwerkraft der ganzen Erde), und spielt in der Elementarteilchenphysik üblicherweise keine Rolle ( Ausnahme: mögliche Produktion schwarzer Mini-Löcher – aber nur unter gewissen, experimentell nicht abgesicherten, theoretischen Annahmen über zusätzliche Dimensionen). In der Makrophysik ist sie nur deswegen von Bedeutung, weil sich alle anderen Kräfte auf großen Skalen ausgleichen (Anziehung und Abstoßung), während die Schwerkraft immer anziehend wirkt. Es gibt bis heute keine befriedigende Quantentheorie der Schwerkraft, deswegen ist das zugehörige Wechselwirkungsteilchen Graviton noch rein hypothetisch die elektromagnetische Kraft vereinheitlicht nicht nur elektrische- und magnetische Kräfte, sondern ist die fundamentale Kraft hinter beinahe jeder Kraft der Alltagswelt (Federkraft, Muskelkraft, Kraft eines Motors, etc.). Vermittelt wird diese Wechselwirkung durch das Photon. Die schwache Kraft (schwächer als die elektromagnetische Kraft, aber immer noch weit stärker als die Schwerkraft) ist die einzige Kraft, die auf alle Fundamentalteilchen – einschließlich der Neutrinos – wirkt. Sie ist auch die einzige Wechselwirkung, die eine gewisse Umwandlung der Fundamentalteilchen ineinander erlaubt – und damit der Grund, warum die 2. und 3. Generation der Teilchen nicht stabil ist, sondern stets in die (leichteste) 1. Generation zerfällt. Vermittelt wird die schwache Kraft durch das W- und Z-Boson. +1 Proton Neutron Baryonen

Das moderne Bild- das „Standardmodell“ Anti-Teilchen Wechselwirkungen stark Leptonen Quarks Starke Kraft g Ladung d u s c b t e ne m t nm nt g ne nm nt -2/3 u c t Elektromagn. Kraft +1 e m t +1/3 d s b Schwache Kraft W, Z Schwerkraft ? zu allen Teilchen gibt es jeweils auch ein zugehöriges Antiteilchen, das dieselbe Masse, aber umgekehrte Ladung (und komplementäre Farbladung) besitzt. durch Kombination eines Quarks mit einem Antiquark der entsprechenden komplementären Farbladung lässt sich ein stabiler („weißer“) Bindungszustand herstellen, der als Meson bezeichnet wird (eine entsprechende Bindung von zwei Quarks – oder zwei Antiquarks – ist nicht möglich) schwach Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)

Das Higgs-Boson Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber … Das Standardmodell Das Higgs-Boson Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber … Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Dennoch wurde das Standardmodell in vielen Präzisionsmessungen hervorragend bestätigt. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. die Massen der Fundamentalteilchen folgen nicht aus dem Standardmodell, sondern müssen als Parameter „händisch“ eingefügt werden dabei sind aber die Massen keine fundamentale Eigenschaft der Teilchen, sondern ergeben sich erst durch den sog. Higgs-Mechanismus – ohne diesem Mechanismus wären alle Teilchen masselos (eine Erläuterung des Higgs-Mechanismus folgt später in diesem Vortrag)

Der Weg zur allumfassenden Theorie? Supersymmetrie Der Weg zur allumfassenden Theorie? Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grund-prinzipien der Natur manifestieren. 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.

SUSY - die wahre Liebe der Teilchenphysiker? Bosonen Fermionen SUSY Teilchenspektrum. Grün: bekannte Teilchen des Standardmodells. Rot: gesuchte neue Teilchen. In einer supersymmetrischen Theorie treten Fermionen und Bosonen immer paarweise auf. Wenn die Natur wirklich supersymmetrisch ist, muß es daher zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchen ein supersymmetrisches Partnerteilchen geben.

SUSY-Teilchen im Experiment SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Rechts sieht man die schematische Darstellung von Produktion und Zerfall von SUSY Teilchen am LHC. Rechts daneben die Simulation der entsprechenden Signatur für den CMS Detektor. Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am Tevatron in den USA, am LHC im CERN und am geplanten e+ e- Linear Collider.

Virtuelle Welt Wo ist nun die Grenze des Stofflichen? Infolge der Heisenberg’schen Unschärferelation laufen in einer kurzen Zeitspanne Dt Prozesse ab, die Energie- und Impulssatz verletzen. Es bilden sich sogenannte loops. Je mehr “Ordnungen” von loops man in einer Rechnung einbezieht, desto mehr erfährt man vom “Ganzen”. 1/(1 – x) = 1 + x + x2 + x3 + … Ein Beispiel: Bei LEP wurde aus der genauen Messung der Lebensdauer des Z-Bosons die Masse des top-quarks erfolgreich vorhergesagt!

Sfermion-Produktion mit einem e+ e- Collider (einige Feynman Graphen) Tree-level Graphen: One-loop level O(hf2) Selbstenergien:

One-loop level O(hf2) Vertex Graphen:

Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik Die „neue“ Physik Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik (die zur Zeit experimentell untersucht werden) • Wie bekommen die Teilchen eine Masse? (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen?) Warum sind diese Massen so unterschiedlich? • Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie (SUSY)  ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen. Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums? • Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? • Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse? • Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich der Gravitation? • Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …) Anmerkung: die Gravitation nimmt noch immer eine Sonderstellung ein, da man bis heute nicht weiß, ob es analog zu den anderen drei fundamentalen Kräften auch ein Kräfteteilchen (das Graviton) gibt ( Quantengravitation).

Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik: Teilchenphysik und Kosmologie Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik: Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie? Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie? Woher kommt die Dunkle Energie?  Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik des ganz Kleinen geben – die Elementarteilchenphysik * Mehr Materie als Anti-Materie Eine dieser Fragen, die von der Kosmologie aufgeworfen wird, ist der Überschuss von Materie im Universum. Die Verletzung der CP-Symmetrie durch die schwache Wechselwirkung dürfte wichtig für die Erklärung dieser Beobachtung sein, obwohl die CP-Verletzung im Standard-Modell die beobachtete Baryondichte nicht erklären kann. * Dunkle Materie und dunkle Energie Die Masse des Universums, die aus der Messung der Gravitation bestimmt wird, ist wesentlich höher als die Masse der Sterne und aller bekannten Materie. Die Differenz ist die "dunkle Materie", die vollkommen ungeklärten Ursprungs ist und ebenfalls Hinweise auf Physik jenseits des Standard-Modells liefert. Auch die Energiedichte des Universums ( wie sie sich aus den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ergibt ) kann nicht durch bekannte Quellen erklärt werden, und man spricht in diesem Zusammenhang von der "dunklen Energie".

Es sind noch lange nicht alle Rätsel des Universums gelöst… Teilchenphysik und Kosmologie Es sind noch lange nicht alle Rätsel des Universums gelöst… Ende