Vom Kristall zum Elementarbaustein Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002 Vom Kristall zum Elementarbaustein Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Rainer Wanke Universität Mainz

Überblick Auf dem Weg zu immer kleineren Dimensionen - die Entdeckung von elementaren Teilchen Von Quarks und Leptonen - das Standardmodell der Teilchenphysik Wie untersuche ich ein Elementarteilchen? - ein Blick ins Forschungszentrum CERN Offene Fragen – warum bleibt‘s auch in Zukunft spannend?

Untersuchung von Materie Wie untersuchen wir üblicherweise die Materie um uns herum? Große Objekte (> 1 mm)  Einfaches Anschauen Kleinere Objekte (~10 μm – 1 mm)  Vergrößerung mit optischem Mikroskop Noch kleinere Objekte: Objekte sind so groß oder sogar kleiner als die Wellenlänge des Lichts (0,3 – 0,7 μm ).  Objekte stören Welle nicht.  Strukturen können nicht mehr aufgelöst werden !

Gitterabstand: d = 2  sin θ Wie kann man dennoch kleinere Strukturen untersuchen?  Verwende kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht! z.B.: Röntgenstrahlung, Wellenlänge  ≈ 0,1 nm Gammastrahlung, Wellenlänge  « 0,1 nm Röntgenbeugung  z.B. Kristallstrukturen „Laue-Diagramm“ Reflexion an Kristallgitterebenen Gitterabstand: d = 2  sin θ Aufbau des Kristallgitters

Nachteile von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung für Strukturuntersuchungen: Fokussierung mit optischen Linsen nicht möglich. Andere Methoden schwierig / nicht existent. Röntgenstrahlung nicht kurzwellig genug für sehr kleine Strukturen – Gammastrahlung sehr schwierig kontrolliert herzustellen.  Bessere Idee: Verwende Teilchen statt elektromagnetischer Strahlung !

Welleneigenschaft von Teilchen Quantenphysik: Jedes Teilchen ist auch gleichzeitig eine Welle mit einer Wellenlänge   h / p (de Broglie-Wellenlänge) Planck‘sches Teilchenimpuls Wirkungsquantum (umgekehrt: Elektromagnetische Wellen bestehen aus Teilchen  Photonen )  Hohe räumliche Auflösungen = kleine Wellenlängen = große Impulse Verwendete Teilchen: z.B. Elektronen (leicht zu erzeugen und handzuhaben)

Lampe  Elektronquelle (z.B. Heizdraht) Elektronenmikroskop Lampe  Elektronquelle (z.B. Heizdraht) Licht  beschleunigte Elektronen Linsen  Elektrische/magnetische Felder Auge  Detektor für Elektronen Zellkern Herpesvirus

Beschleunigung von geladenen Teilchen Elektrisch geladene Teilchen (z.B. Elektronen) können auf einfache Weise in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Einfacher Elektronenbeschleuniger: Fernsehapparat (= Braunsche Röhre)

E = mc2 ! Elektron durchläuft Spannungsdifferenz von 1 Volt  kinetische Energie des Elektrons erhöht sich um 1 eV = 1 „Elektronvolt“ = 1,6 x 10-19 Joule z.B. Fernseher: Spannung ~ 10 kV = 10 000 V  Elektronen haben kinetische Energie von 10 keV E = mc2 ! Massen: Teilchenmassen werden in eV/c2 gemessen. E = m c2  m = E / c2 z.B.: Masse des Elektrons = 511 keV/c2 = 9,1 x 10-31 kg Masse des Protons = 938 MeV/c2 = 1,7 x 10-27 kg

Radioaktive Strahlung Entdeckung der Radioaktivität und der radioaktiven Strahlung durch Henri Becquerel, Marie und Pierre Curie. Unterscheidung von: Alpha-Strahlung () Beta-Strahlung () Gamma-Strahlung () Helium-Atomkerne Elektronen Photonen

Kosmische Strahlung Problem bei der Untersuchung der Radioaktivität: Es gab einen nicht reduzierbaren Untergrund in den Messungen, selbst wenn gar kein radioaktives Material vorhanden war. Angenommene Erklärung: Es gibt eine ständig vorhandene Strahlung, möglicherweise von ausserhalb der Atmosphäre. Dann muss diese Strahlung mit zunehmender Höhe ebenfalls zunehmen!

1912: Der Österreicher Victor Hess entdeckt die kosmische Strahlung durch Ballonflüge. Nobelpreis 1936 Aber immer noch unklar, um was für eine Art Strahlung es sich eigentlich handelt...

? Hauptbestandteil der kosmischen Strahlung (auf der Erdoberfläche): Geladene Myonen (+, -) (Entdeckt 1937 durch Carl David Anderson und Seth Neddermeyer.) Faustregel: 1 Myon / Sekunde / Handoberfläche ? Was ist ein Myon? Myon ist schwerer Bruder des Elektrons! Myon-Masse ~ 2000 x Elektron-Masse Zerfällt nach 2 millionstel Sekunden in ein Elektron (und zwei Neutrinos).

Spuren von Teilchen Flugzeuge in grosser Höhe können (fast) nicht gesehen werden, aber hinterlassen Kondensstreifen: Abgase bilden Kondensationskeime, an denen der Wasserdampf der Luft kondensiert.  Spur des Flugzeugs gut sichtbar! Auch geladene Elementarteilchen können Spuren hinterlassen! Luftmoleküle werden ionisiert, Ionen können Kondensationskeime für den Wasserdampf bilden.  Nebelkammer

Streuexperiment von Rutherford Zentrale Frage am Anfang des letzten Jahrhunderts: Wie sind eigentlich Atome aufgebaut? Bekannt: Elektron als Teil des Atoms Regelmässigkeit der Kristallstruktur Eine Vorstellung (unter vielen): Elektronen sind wie Rosinen verteilt im Teig eines „Atomkuchens“.  Atome sind mehr oder weniger undurchlässige Objekte, die den gesamten Raum ausfüllen.

1913: Ernest Rutherford schiesst -Teilchen auf sehr dünne Goldfolie. Nur sehr wenige Teilchen werden abgelenkt, die aber dafür sehr stark.

Ergebnis des Streuexperiments: Atomkern Teilchen gehen nicht ungehindert durch Goldfolie hindurch Gezählte Teilchen Im Atom befindet sich hartes Streuzentrum Streuwinkel Rutherford-Experiment 5 MeV -Teilchen auf Au Atomkern

Atomkern besteht aus schweren, positiv geladenen Teilchen (Protonen) und schweren, neutralen Teilchen (Neutronen). Die sehr viel leichteren Elektronen befinden sich im leeren Raum um den Atomkern. Leichtestes Element = Wasserstoff  Proton = Wasserstoffkern Protonen und Neutronen werden durch sogenannte starke Kraft im Kern zusammengehalten. (viel stärker als elektromagnetische Abstoßung!)

Die schwache Wechselwirkung Radioaktiver Beta-Zerfall: Atomkern zerfällt in ein Elektron und einen Atomkern mit Ordnungszahl - 1 Neutron  Proton + Elektron Prozess findet nur selten statt:  Verantwortliche Kraft: „Schwache Wechselwirkung“ Allerdings Problem: Energieerhaltung ist nicht erfüllt: Energie des Elektrons < Massendifferenz zwischen altem und neuen Atomkern x c 2 Energie scheint verloren zu gehen! Energieerhaltung aber „heiliges Prinzip“ in der Physik... ?

„ ... es könnten elektrisch neutrale Teilchen .... in 1930: Wolfgang Pauli schreibt Brief an die „Lieben Radioaktiven Damen und Herren“: „ ... es könnten elektrisch neutrale Teilchen .... in den Kernen existieren ...“ Neues Teilchen ist praktisch masselos Neues Teilchen ist elektrisch neutral Neutron  Proton + Elektron + Neutrino Neutrino wird zuerst nur als hypothetisches Teilchen angenommen - wie soll man es auch nachweisen??? (Leicht, elektrisch neutral, nur schwach wechselwirkend) Postuliertes Neutrino

Nachweis des Neutrinos erst viel, viel später (1959!). Extrem schwach wechselwirkend: Können Bleiwand zwischen Sonne und Erde mit 50% Wahrscheinlichkeit durchschlagen. Praktisch masselos. Überall vorhanden. Jede Sekunde durchqueren Millarden Neutrinos von der Sonne jeden Quadratzentimeter auf der Erde!

Antimaterie Antimaterie -Antrieb Jedem bekannt: In der Zukunft fliegen Raumschiffe mit einem Antimaterie -Antrieb Aber ... : Was ist Antimaterie eigentlich? Gibt‘s das wirklich? Oder ist das doch nur Science Fiction?

Die Entdeckung der Antimaterie Anfang des letzten Jahrhunderts zwei ganz neue Theorien: Spezielle Relativitätstheorie (Einstein): Physik bei sehr hohen Geschwindigkeiten. v  Lichtgeschwindigkeit Quantenmechanik (Bohr, Heisenberg, Schrödinger, ...): Physik bei sehr kleinen Abständen. d  Atomdurchmesser Elektronen: Sehr klein und sehr schnell.  Gemeinsame, kombinierte Theorie erforderlich. Lange Suche nach solcher gemeinsamen Theorie...

1927: Paul Adrien Maurice Dirac Relativistische Beschreibung der Quantenmechanik des Elektrons. Allerdings: Formel ist quadratische Gleichung mit zwei Lösungen. Das Elektron wird durch die positive Lösung beschrieben. Aber was ist mit der zweiten Lösung??? Wäre Elektron mit positiver Ladung. Gibt es sowas überhaupt? Oder ist die zweite Lösung nur ein nicht in der Natur vorkommendes Artefakt?

Photo der Teilchenspur Fünf Jahre später (1932): Entdeckung des Positrons in der kosmischen Strahlung durch Carl David Anderson. Das Positron hat genau die gleichen Eigenschaften wie ein Elektron (Masse = 511 keV/c2, gleiche Signatur im Detektor) Aber großer Unterschied: Es ist positiv geladen! Mögliches Photo der Teilchenspur mögliche Spur eines Elektrons

Photo der Teilchenspur Fünf Jahre später (1932): Entdeckung des Positrons in der kosmischen Strahlung durch Carl David Anderson. Das Positron hat genau die gleichen Eigenschaften wie ein Elektron (Masse = 511 keV/c2, gleiche Signatur im Detektor) Aber großer Unterschied: Es ist positiv geladen!  umgekehrte Krümmung der Spur im Magnetfeld! Tatsächliches Photo der Teilchenspur tatsächliche Spur eines Positrons!

Was also ist nun Antimaterie? Zu jeder Teilchensorte existiert ein Antiteilchen mit genau denselben Eigenschaften aber umgekehrten elektrischen (und sonstigen) Ladungen. und so weiter ... Wenn Teilchen und Antiteilchen zusammenstossen, vernichten sie sich in reine Energie ( E = m c2 ! ) Andersherum können Teilchen-Antiteilchen-Paare aus Energie (d.h. hochenergetischer Gamma-Strahlung) gewonnen werden. Teilchen: Antiteilchen: Elektron e- Positron e+ Proton p Antiproton p Photon (Energie > 2 x 511 keV)  Elektron + Positron

Heutzutage: Antimaterie wird in Teilchenphysiklabors ständig in großen Mengen erzeugt (vor allem Positronen und Antiprotonen). Vor kurzem: Herstellung von einigen Antiwasserstoffatomen (1995) (= Positron gebunden an Antiproton) am CERN. Und wie war das mit den Raumschiffantrieben? Prinzipiell möglich – Antimaterie ist konzentriertester Energieträger! Aber wer möchte schon zusammen mit einem Block Antimaterie ins Raumschiff steigen?

Hilfe! Immer mehr Teilchen! 50er und 60er Jahre: Erste Teilchenbeschleuniger werden gebaut.  Viele, viele neue Teilchen werden entdeckt. (, K, , , , , …) “Teilchenzoo” Die meisten Teilchen sind sehr kurzlebig und zerfallen gleich wieder. Reaktion in einer Blasenkammer Große Frage: Welches Ordnungsschema steckt hinter der Vielfalt der Teilchen ???

Die Lösung: „Quarks“ Alle Hadronen (= stark wechselwirkende Teilchen) sind entweder aus drei Quarks oder aus einem Quark und einem Anti-Quark aufgebaut. Quarks haben drittelzahlige elektrische Ladungen. 3 Quarks: „Baryonen“ Proton Neutron u u d d u d Quarks: up up down Ladung: Quarks: up down down Ladung:

positiv geladenes Pion negativ geladenes Pion Quark + Anti-Quark: „Mesonen“ positiv geladenes Pion negativ geladenes Pion u d Quarks: up Anti-down Ladung: Quarks: Anti-up down Ladung: Die geladenen Pionen zerfallen aufgrund der schwachen Wechselwirkung:   Myon + -Neutrino Freie Quarks Es gibt nur Mesonen und Baryonen. Freie Quarks kommen nicht vor!

Das Standardmodell der Teilchenphysik Quarks: up (u) charm (c) top (t) Ladung +2/3 down (d) strange (s) bottom (b) Ladung -1/3 Leicht Schwer Quarkmassen: m(up) ≈ 5 MeV/c2  m(top) = 175 000 MeV/c2 Leptonen: Elektron (e-) Myon (μ-) Tauon (τ-) Ladung -1 e-Neutrino (νe) μ-Neutrino (νμ) τ-Neutrino (ντ) Ladung 0 Leptonmassen: m(e-) = 0,5 MeV/c2  m(τ-) = 1777 MeV/c2 m(Neutrinos) ≈ 0 + 12 Anti-Teilchen (6 Antiquarks, 6 Antileptonen)

Austauschteilchen der Wechselwirkungen (Bosonen): Masse Ladung elektromagn. WW: Photon (γ) schwache WW: W+ 80,4 GeV/c2 +1 W- -1 Z0 91,2 GeV/c2 starke WW: 8 Gluonen (g) Elektromagn. WW: Wirkt nur auf Quarks und geladene Leptonen. Starke WW: Wirkt nur auf Quarks. Schwache WW: Wirkt auf alle Teilchen. Kann als einzige die Teilchensorte ändern.

Methoden der heutigen Teilchenphysik Wir haben schon gesehen: Untersuchungen von kleinen Strukturen brauchen Wellen mit kleiner Wellenlänge = Teilchen mit großem Impuls/Energie. (  = h / p ) Ausserdem: Neue Teilchen sind häufig sehr schwer. (Masse(bottom-Quark) ≈ 6 x Masse(Proton), Masse(top-Quark) ≈ 180 x Masse(Proton) !)  Zur Erzeugung schwerer Teilchen ist viel Energie nötig.  Aufwändige Teilchenbeschleuniger notwendig!

Linearbeschleuniger Einfachstes Prinzip: Schalte viele Beschleunigungs- strecken hintereinander.  Elektrisches Feld muss zur richtigen Zeit umgepolt werden. Linearbeschleuniger Sehr aufwändig: Beschleunigungsstrecke für 50 GeV Energie = 5 Millionen hintereinandergeschaltete Fernsehapparate!

Linearbeschleuniger

Ringbeschleuniger Magnetfeld zwingt Teilchen auf Kreisbahn Teilchen durchlaufen Beschleunigungs- strecken bei jedem Umlauf erneut Hohe Energien  Große Ringdurchmesser 1930 2000 100 Millionen mal höhere Energie 9 cm 9 km

Forschungseinrichtungen Deutsches Elektronen- Synchrotron (DESY), Hamburg Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), USA Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN), Genf

LEP-Beschleuniger am CERN in Genf: 27 km Umfang, Elektronen-Energie: ~ 100 GeV

„Urknall“ im Labor LEP-Beschleuniger (1989-2000) („Large Electron Positron Collider“): Elektronen und Positronen werden beschleunigt und zur Kollision gebracht. Teilchen und Antiteilchen werden vernichtet und es entsteht Energie. (Photonen oder Z0-Teilchen) Aus der Energie können neue Teilchen entstehen. Neue Teilchen können im Detektor nachgewiesen werden. LEP-Beschleuniger: Energien zwischen 90 und 200 GeV stehen zur Erzeugung neuer Teilchen zur Verfügung.

Teilchendetektoren Zum Beispiel: ALEPH-Detektor am LEP-Speicherring.

Experimentierhalle in 140m Tiefe Eisen/Gas-Detektor

Was entsteht aus der Energie? Ein Computerblick in den ALEPH-Detektor. Aus der Energie ist ein Elektron e- und ein Positron e+ entstanden Schnitt senkrecht zur Strahlachse Schnitt entlang der Strahlachse

Aus der Energie ist ein Myon - und ein Anti-Myon + entstanden Eine andere Möglichkeit: Aus der Energie ist ein Myon - und ein Anti-Myon + entstanden

Wo kommen die vielen Teilchen her ?? „Starke Wechselwirkung“ Zwei Teilchenbündel (Jets) sind entstanden Ursache ist die „Starke Wechselwirkung“ Aus der Energie sind Quarks entstanden.

Die “starke Wechselwirkung” führt dazu, daß nicht nur ein einzelnes Quark-Paar entsteht: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Die offenen Fragen Gibt es noch mehr elementare Teilchen? Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche Massen? Gibt es noch mehr elementare Teilchen? Können die vier Grundkräfte aus einer einzigen Kraft erklärt werden? Wieso besteht unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie? .... und noch vieles mehr ....

Die offenen Fragen Gibt es noch mehr elementare Teilchen? Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche Massen? Gibt es noch mehr elementare Teilchen? Können die vier Grundkräfte aus einer einzigen Kraft erklärt werden? Wieso besteht unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie? .... und noch vieles mehr ....

Herkunft der Massen Vermutung: Massen werden erzeugt durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld („Higgs-Feld“). Je stärker die Kopplung ans Higgs-Feld, desto höher die Masse des Teilchens. Zum Higgs-Feld existiert eigenes Teilchen („Higgs-Teilchen“). Peter Higgs (an seiner zweiten Idee arbeitend)

Anschauliche Erklärung für den englischen Bildungsminister. Der Higgsmechanismus Anschauliche Erklärung für den englischen Bildungsminister. Geschichte: Politisches Bankett in England. Viele Diplomaten und Presseleute driften ohne viel Wechselwirkung durch den Saal. Dann betritt Maggie Thatcher den Raum. Sie ist sehr klein, trotzdem versuchen alle Näherstehenden ihr so nahe wie möglich zu kommen. Dadurch bildet sich eine Traube und sie kann sich nur sehr langsam fortbewegen. Nachdem Maggie Thatcher den Raum wieder verlassen hat, breitet sich ein Gerücht von der Tür her durch den Saal aus. Die Weiter- gabe des Gerüchts erfolgt in einem kleinen Grüppchen mit ständig wechselnden Mitgliedern, das sich langsam durch den Raum bewegt. Physikalische Interpretation: Der leere Raum ist angefüllt mit Hintergrundfeld („Higgs-Feld“). Das Maggie-Teilchen ist eigentlich masselos. Es erhält aber große Masse durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld. Das Higgs-Feld kann auch mit sich selbst wechselwirken. Dabei entsteht ein neues Teilchen – das Higgs-Teilchen!

Derzeit intensive Suche nach dem Higgs-Teilchen. Vermutete Masse: 120 – 200 GeV/c2 ALEPH-Detektor könnte ein mögliches Ereignis gefunden haben. Neue Beschleuniger am Fermilab (ab 2002) und am CERN (ab 2007) werden das Higgsteilchen entweder finden oder seine Existenz ausschliessen können. War das ein Higgs?

LHC-Beschleuniger am CERN (ab 2007): LEP-Ring wurde abgebaut, im LEP-Tunnel wird neuer Beschleunigerring LHC („Large Hadron Collider“) installiert. Plan: Proton–Proton-Kollisionen mit einer Gesamtenergie von 14 TeV = 14 000 GeV ! Geplantes ATLAS- Experiment am LHC

Die offenen Fragen Gibt es noch mehr elementare Teilchen? Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche Massen? Gibt es noch mehr elementare Teilchen? Können die vier Grundkräfte aus einer einzigen Kraft erklärt werden? Wieso besteht unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie? .... und noch vieles mehr ....

Supersymmetrie Viele offene Fragen könnten durch eine eine neue Theorie erklärt werden.  „Supersymmetrie“ In diesem Fall gäbe es zu jedem der bekannten Teilchen einen supersymmetrisches Partnerteilchen.  Noch eine Verdopplung der Teilchenzahl Wunderschöne Theorie, einziger Nachteil: Bisher wurde noch kein supersymmetrisches Teilchen gefunden! Hoffnung: Am LHC-Beschleuniger werden supersymmetrische Teilchen gefunden. Oder noch ganz andere.

Die offenen Fragen Gibt es noch mehr elementare Teilchen? Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche Massen? Gibt es noch mehr elementare Teilchen? Können die vier Grundkräfte aus einer einzigen Kraft erklärt werden? Wieso besteht unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie? .... und noch vieles mehr ....

Vereinigung der Kräfte Eines der Hauptziele der Physik: Versuche die Vielzahl der beobachteten Phänomene durch möglichst wenig zugrundeliegende Prozesse zu beschreiben! Großer Wunsch: Können beobachtete Wechselwirkungen durch eine einheitliche Kraft beschreiben werden? ( „Weltformel“) Erster Erfolg (1866): Maxwell vereinigt Elektrizität und Magnetismus zum Elektromagnetismus. Zweiter Erfolg (1966): Glashow, Weinberg, Salam finden gemeinsame Theorie des Elektromagnetismus und der schwachen Wechselwirkung  elektroschwache Wechselwirkung

Die heutige „Weltformel“ Elektroschwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung

Vereinheitlichung noch lange nicht fertig: Schlussstein der elektroschwachen Theorie fehlt noch (Higgs-Teilchen) Zusammenführung von elektroschwacher und starker Wechselwirkung schwieriger als erwartet. Gravitation bis jetzt aussen vor. (Lösung wohlmöglich durch Entdeckung von Supersymmetrie.)

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Materie-Antimaterie-Asymmetrie Keine Antimaterie! Beobachtung: Universum scheint nur aus Materie und nicht aus Antimaterie zu bestehen. Annahme: Beim Urknall sollte genausoviel Antimaterie wie Materie erzeugt worden sein.  Wo ist die Antimaterie geblieben ??? Teilchenphysik-Experimente: Winzige Asymmetrie (~10-6) in Zerfällen von Antiteilchen im Vergleich zu entsprechenden Teilchenzerfällen. Unklar, ob das als Erklärung reicht.

Die offenen Fragen Gibt es noch mehr elementare Teilchen? Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche Massen? Gibt es noch mehr elementare Teilchen? Können die vier Grundkräfte aus einer einzigen Kraft erklärt werden? Wieso besteht unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie? .... und noch vieles mehr ....

“Das könnte die Entdeckung des Jahrhunderts sein. Kommt natürlich darauf an, wie weit es nach unten geht”