Physik mit Teilchen, Kernen und Sternen Das Exzellenzcluster ‚Origin and Structure of the Universe‘ Prof. Stephan Paul

Vom Kleinen zum Grossen – Der Kreis der Physik Schülertag TUM - 1.2.2007

Kräfte und Wechselwirkungen Art des ausgetauschten Teilchens bestimmt WW Reichweite der Wechselwirkung: Austauschteilchen is virtuelles Teilchen→ Energiesatz wird verletzt Hohen Massen (Energien)  Kleine Abstände untersuchen Schülertag TUM - 1.2.2007

Wechselwirkungen II Masselose Teilchen: Graviton, Photon geben eine unendliche Reichweite (1/r-Gesetz) Teilchen der Masse m = 80 GeV → Reichweite; 2.5∙10-3 fm ca. 1/1000 Größe eins Protons (schwache WW) Teilchen der Masse m = 140 MeV → Reichweite: 1,4 fm (Kernkraft) Schülertag TUM - 1.2.2007

Die Bausteine der Welt Schülertag TUM - 1.2.2007

Die Suche nach dem Ursprung der Masse Urbausteine (Quarks/Leptonen) haben Masse Es gibt leichte Bausteine (u,d-Quark, Elektron) Es gibt schwere Bausteine (b,t-Quark, muon/t-Lepton) ca. 1000-10000 mal schwerer Warum Haben Bausteine die gemessenen Massenwerte Gibt es Bausteine mit so unterschiedlicher Masse Higgs-Mechanismus Hintergrundfeld erzeugt Masse (Higgs-Teilchen) Vgl. Schumacher in Fangemeinde..... Schülertag TUM - 1.2.2007

Der Higgs-Effekt – Wie Masse Entsteht Schülertag TUM - 1.2.2007

10-43 Sekunden: Der Vorhang hebt sich… Raum und Zeit sind schaumig…. Superstrings: eine ‘Weltformel’ ? Alle Kräfte sind vereint Die Welt ist 10-dimensional Doch nur 4 Dimensionen haben nn der Expansion des Raumes teilgenommen, Die anderen Dimensionen sind aufgrollt Schülertag TUM - 1.2.2007

Innerhalt 10-32 Sekunden expandiert der Raum um das 1050-fache Inflation: Innerhalt 10-32 Sekunden expandiert der Raum um das 1050-fache QuantenFluktuationen in der Energiedichte werden verstärkt (3 K Hintergrundstrahlung) Sie bilden die Grundlage für die spätere Entstehung von Galaxien Schülertag TUM - 1.2.2007

Das Babyfoto: MikrowellenTemperaturschwankungen Cobe 1994 2006 WMAP 2003 Schülertag TUM - 1.2.2007

Ein winziger Überschuss von Materie zu Antimaterie wird erzeugt Aus der 1 in der neunten Stelle hinterm Komma sind WIR gemacht Schülertag TUM - 1.2.2007

Bis 10-10 Sekunden: Suppe aus Elementarteilchen und Austauschbosonen in steter WW Dabei Abkühlung durch räumliche Expansion und Änderung der Kopplungsstärken Schülertag TUM - 1.2.2007

Elektroschwache Symmetriebrechung 10-10-10-6 Sekunden: Elektroschwache Symmetriebrechung Neutrinos entkoppeln: schwache WW wird zu schwach, Neutrinos sehen andere Teilchen zu selten Schülertag TUM - 1.2.2007

Wie betrachte ich verschiedene Größenskalen ? Schülertag TUM - 1.2.2007

Mikroskope..... Ringbeschleuniger Nutzbare Energie zur Erzeugung von Neuem: √s = E1+E2 Baue Collider (zwei kollidiernde Strahlen) Ringbeschleuniger Beschleungungsstrecke Umlenkmagnete Schülertag TUM - 1.2.2007

CERN – Herr der Ringe 8.6 km Schülertag TUM - 1.2.2007

CERN Beschleuniger und das LHC 8 TeV auf 8 TeV Kollisionen.... Mp ~ 1 GeV und E=mc2 Testaufbau LHC-Ring - Simulation Schülertag TUM - 1.2.2007

Wie sieht ein Detektor aus ? Schülertag TUM - 1.2.2007

Eindrücke eines Superdetektors Transportprobleme ?? Zentraler Detektorteil - Rohbau Schülertag TUM - 1.2.2007

Was passiert bei einer harmlosen Kollision ? Strahl Schülertag TUM - 1.2.2007

Kollisionen bei hohen Energien: Higgs Teilchen simuliert Schülertag TUM - 1.2.2007

Proton und Neutron kondensieren aus der Suppe von Quarks und Gluonen 10-4-10-2 Sekunden: Proton und Neutron kondensieren aus der Suppe von Quarks und Gluonen (Quark-Gluon Plasma) Ansicht eines Protons Mit hoher Auflösung Schülertag TUM - 1.2.2007

Entstehung der ersten Elemente Primordiale Nukleosynthese 10-2-103 Sekunden: Entstehung der ersten Elemente Primordiale Nukleosynthese Es gibt keine stabilen Elemente mit A=5 4He ist Endstation Die ersten 3 Minuten sind vorüber Schülertag TUM - 1.2.2007

Messung der Lebensdauer des Neutrons Proton Nachweis FRM II der TUM Neutron trajectories good bad Der Reaktortank Die Neutronenextraktion Magnetischer Multipol Beff ~ 2T Einlasskonfiguration Stromleiter Schülertag TUM - 1.2.2007

Entkopplung der Photonen Entstehung der Sterne und Galaxien 105 Jahre: Entstehung der Atome Entkopplung der Photonen Ab 109 Jahre: Entstehung der Sterne und Galaxien Schülertag TUM - 1.2.2007

Elemtenstehung - Was macht ein Stern ? Schülertag TUM - 1.2.2007

Was macht die Sonne ? Kernfusion im Herzen der Sonne: 4 p ® 4He + 2e+ + 2ne (+ 26.7 MeV) genauer: ne Neutrino energy [MeV] auf der Erde: 65 Milliarden Neutrinos pro s und cm2 Schülertag TUM - 1.2.2007

Licht und Neutrinos von der Sonne.. Stimmt das ? 50 000 t H20 Cerenkov Detektor 40 m hoch 40 m Ø 11146 Licht- detektoren 50 cm Ø 1 km tief in Kamioka Mine, Japan Schülertag TUM - 1.2.2007

Entstehung der schweren Elemente: Supernovaexplosionen Bis jetzt Entstehung der schweren Elemente: Supernovaexplosionen Ende einer Supernovaexplosion: Schwarzes Loch Im Zentrum jeder Galaxie findet sich ein schwarzes Loch: Beispiel: unsere Milchstrasse (Bild im Nahinfraroten - VLT): Schülertag TUM - 1.2.2007

Kernphysik – Die Landkarte der Kerne Schülertag TUM - 1.2.2007

Entstehung neuer Elemente im Labor GSI – Ionenbeschleuniger UNILAC Schülertag TUM - 1.2.2007

Dennoch…. Wir wissen wenig Sterne und Galaxien machen nur ~0.5% aus Neutrinos ~0.3–10% Rest normaler Materie (Elektronen and Protonen) ~5% Dunkle Materie ~30% Dunkle Energie ~65% Anti-Materie 0% Higgs Kondensate ~%?? Schülertag TUM - 1.2.2007

Unsere Instrumente für große Objekte Paranal VLT Chile (ESO) Universitätsternwarte (LMU) - Wendelstein Schülertag TUM - 1.2.2007

Und Wie War’s Ganz Am Anfang ? Schülertag TUM - 1.2.2007

Mehr Info auf: www.universe-cluster.de Schülertag TUM - 1.2.2007