Auf den Spuren der Elementarteilchen Beschleuniger und Detektoren Z Produktion und Zerfall Teilchenidentifikation Zusammenhang mit Kosmologie Masterclasses, Dresden, Michael Kobel

Teilchenphysik = Hochenergiephysik Forscher nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn mit steigender Energie E (Impuls p) der Projektile steigt Fähigkeit, kleine Strukturen x zu erkennen x p = ħ (Heisenberg) Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen: E = mc 2 (Einstein)

Wiederholung: nützliche Einheiten für Teilchen Größe: 1 fm = 1 Femtometer (Fermi) = m (1 µm = fm) Energie: 1 ElektronVolt = 1eV 1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV 1 MegaElektronVolt = 1 MeV = eV 1 GigaElektronVolt = 1 GeV = eV 1 GeV: viel für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0, Sekunden zum Leuchten bringen

Sehen = Abbilden Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor) Teilchenbeschleuniger als Mikroskope Auflösungsvermögen : Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Projektilgröße << Größe der Strukturen Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV), zum Beispiel: 0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV 200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV 0,2 µm bei E = 1 eV >0,15µm

Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle

Projektil: Tennisbälle

Projektil: Murmeln...Nichts wie weg !

Protonen und Neutronen sind nicht elementar! Indirekte Hinweise: z.B. Ordnungsschema (60er Jahre) Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen Quarks 1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg Nötige Treffgenauigkeit: > 0,2 GeV Resultat: 1 fm

Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Haben Sie auch daheim! Funktionsprinzip: Simulation (externer Link) Simulation Linearbeschleuniger: Fermilab, Chicago (in Betrieb) DESY, Hamburg (in Planung)

Bis 2000: e - e + Vernichtung bei CERN Strahlenergie E e = GeV

Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren Elektronische Bilder CERN, Genf, bis 2000

Der Large Hadron Collider LHC Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen

170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern Größenvergleich Hier in Dresden: ATLAS Experiment, LHC Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug

page 10 CERN visit - Introduction Bilder vom LHC

Ein Blick in den Tunnel Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu –Strukturen und Abständen von Metern –Massen auf der Teraskala (E = mc 2 = 1TeV) –Entwicklung des Universums nach dem Urknall von 0, s bis 0, s

Animationen Ziele: Suche nach Neuem: Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?) Supersymmetrie ( Dunkle Materie?) nur des Weltalls ist normale Materie zusätzliche Raumdimensionen ATLAS (2,9 MB) CMS (68 MB) (externe Links durch Klicken aufs Bild) media/downloads/ ATLAS_Event.avi (55 MB)

Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am

1914 Chadwick -Zerfall: n p + e - Þ Unerwartete Energieverteilung Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino Elektrisch neutraler Partner des Elektrons sehr leicht schwach wechselwirkend (Fermi): von schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet im Universum Neutrinos / m 3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m 3 Noch ein Elementarteilchen

Zusammenfassung Bausteine Fundamentale Bausteine der Materie: –Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d zu Kernen oder Atomen gebunden –Neutrino ungebunden –Alle punktförmig ( < fm) Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?

Wechselwirkung: –Kraftwirkung zwischen Teilchen –Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion 4 fundamentale Wechselwirkungen –Gravitation (Schwerkraft) –Elektromagnetismus –Schwache Wechselwirkung –Starke Wechselwirkung Konzept der Wechselwirkungen N S q q p p n n n n p p p p p n n n p p n p n p

Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen AbstoßendAbstoßend AnziehendAnziehend /unischule/baust/bs_6fram_lv123.html /unischule/baust/bs_6fram_lv123.html (nur in internet explorer abspielbar)

Was ist eigentlich eine Ladung? Eine Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens Ladungen sind Additiv: Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren Mehr wissen wir (noch) nicht

Die elektromagnetische Kraft Ladung: elektrische Ladung Q Arten: 1 Ladungsart: Zahl, positiv oder negativ Botenteilchen: Photon Eigenschaften: elektrisch neutral: Q=0 masselos : m=0 Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung +2/3 -1/3 O -1 Besonderheiten: –Unendliche Reichweite –Makroskopisch beobachtbar –Magnetfelder lenken elektrisch geladene Teilchen ab, umso weniger je höher deren Energie ist (Fadenstrahlrohr)

Die starke Kraft Ladung: starke Ladung Arten: 3 Ladungsarten: Farbe, plus jeweilige Antifarbe Botenteilchen: 8 Gluonen Eigenschaften: tragen selber je 1 Farbe und Antifarbe masselos : m=0 Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung r, b, g r, b, g - - Besonderheiten: –Endliche Reichweite ca 1 fm –Hält p, n und Atomkern zusammen –Makroskopisch nicht beobachtbar, außer im radioaktiven -Zerfall Heliumkerne

Ladung: schwache Ladung ( I 1, I 2, I 3 ) Arten: 1 Ladungsart: Zahlentriplett Botenteilchen: W -, Z 0, W + Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I 3 = -1, 0, 1 Masse : m = 80 – 90 GeV Teilchen Up Down Neutrino Elektron I 3 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 Besonderheiten: –Endliche Reichweite ca fm –Makroskopisch nicht beobachtbar, außer Brennen der Sonne Radioaktive Umwandlung (Zerfall) des Neutrons Analog: Zerfall des Myons µ e Die schwache Kraft

primäres Teilchen trifft auf Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe Atmosphäre e e Fuji 3776 m n p p, He,... e Entdeckt: wie e, nur 200x schwerer mehrere Teilchen-Familien!

Das vollständige Set der Bausteinteilchen Das 4er Set der 1.Baustein-Generation wiederholt sich genau 2 Mal Niemand weiss warum

Eindeutige Vorhersagen Ursache jeder Wechselwirkung: Erhaltung von Symmetrien Ergibt eindeutiges Set von fundamentalen Vertices Alle Prozesse sind Kombination solch fundamentaler Vertices Nur Teilchen mit entsprechender Ladung nehmen an jeweiliger wechselwirkung teil Zeit z.B. Betazerfall des Neutrons Anm: Pfeilrichtung symbolisiert Antiteilchen Es läuft trotzdem in der Zeit nach rechts

Masse in MeV Die Massen der Elementarteilchen 1995: TeVatron, FNAL,Chicago Entdeckung des Top Quarks Masse: 173 GeV ! Scientific American, 1997 bzw. in Tonnen ~ 0, ~ 0, ,511105, ~ 0,

Die Masse der Atome kommt –nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine –99% aus Energie der Quarkbindung Ändern von m u,m d oder m e hätte –kaum Effekt auf Atommassen –kaum Effekt auf Materiedichte –riesigen Effekt auf Verhalten der Materie Erniedrige m W auf die Hälfte –Sonne brennt viel zu schnell f. Evolution d. Lebens Erniedrige m d – m e um 1 MeV/c 2 –ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs: –keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige m d – m u um 2 MeV/c 2 –Proton- und Deuteriumzerfall –Keine Sterne –nur neutrale Teilchen (n, Die Bedeutung der Teilchenmassen p n W - e - e

Erst nachdem der LHC gekl ä rt hat, wie Teilchenmassen ü berhaupt entstanden sind, wird man erforschen k ö nnen, wie ihre Werte zustande kamen. R.N. Cahn, The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life(1996) V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model (1997) C. Hogan, Why the Universe is Just So (1999) Th Damour und J.F.Donoghue, Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding (2007) Animation: Was wäre wenn… Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-QuarkmasseKleinere Elektronmasse Kleinere W-Masse View at: Download:

Antimaterie Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Ladungsvorzeichen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen können paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt können Sich diese wieder zu Botenteilchen vernichten, z.B. e + + e - Z 0, am besten wenn 2E e =m Z c 2 m Z 2E e

Z Zerfälle Das Z Teilchen ist nicht stabil Wandelt sich nach 3x s (!) in andere Teilchen um Z0Z0 e+e- + - qq Zeit Z 0 e+e-e+e-

Zerfallskanäle Löcher entsprechen Zerfallskanälen Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht vorhersagbar Für einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar Entleerungsdauer absolute Größe der Löcher Zerfallsdauer Stärke der Kopplungen an Teilchenpaare Ergebnis: Schwache Wechselwirkung gar nicht so schwach! Verhältnis der Austrittsmengen Größenvergleich der Löcher Verhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten Größenvergleich der Kopplungen Z0Z0 e+e- + - qq Aufgabe für heute nachmittag!

Ergebnisse hochaktuell Veröffentlicht in Physics Reports, Mai 2006

Teilchenidentifikation = Detektivarbeit feststellbare Teilcheneigenschaften: –aus Quarks (Hadronen) –elektr. geladen / ungeladen –leicht / schwer Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

Schnitt durch einen Sektor des CMS Detektors Teilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen Press escape to exit

Detektorverhalten Mehr Durchschlagskraft für: - schwere Teilchen - schwächere Wechselwirkung

Zusammenfassung Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren Sowie die Bildung von Hadronjets aus Quarks Hadronen Pion Myon

Einzelne Quarks ergeben Hadronen Jets e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e ¯ p 800 GeV

Zusammenhang Kosmologie - Teilchenphysik frühes Universum: Temperatur K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV alle Teilchen kollidieren unkontrolliert gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV

Auf der Suche nach der Weltformel heutige experimentelle Grenze Fortschritt der Physik Zurück zum Urknall

Schlussübersicht