Physik an Beschleunigern Eine kleine Einführung für Nicht-Physiker Sabine Riemann, Gruppe LC

Technisches Seminar: Teilchenphysik Inhalt Was wollen wir messen? Grössenordungen Wie können wir messen? Streuexperimente Teilchenbeschleuniger Was haben wir (=Teilchenphysiker) bisher gelernt? Bitte sofort fragen, wenn etwas unverständlich ist 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Technisches Seminar: Teilchenphysik Grössenverhältnisse Unser Ziel: Fundamentales Verständnis der Naturgesetze Aber wie???? Kristall Molekül Atom Atomkern Proton Quark Neutron Elektron <10-2m 10-9m 10-10m 10-14m 10-15m <10-18m 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Wie kann man kleinste Teilchen „sehen“? Was heisst überhaupt „sehen“ ? Sehen = Abbilden Wichtig ist das „Auflösungsvermögen“ : Fähigkeit, Strukturen einer bestimmten Größe zu erkennen 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Unbekanntes Objekt in einer Höhle… Projektil: Basketbälle 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Unbekanntes Objekt in einer Höhle.. Projektil: Tennisbälle 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Murmeln 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Technisches Seminar: Teilchenphysik Wirkungsquerschnitt 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Technisches Seminar: Teilchenphysik Streu-Experimente Um kleinste Strukturen aufzulösen, braucht man noch kleinere, punktförmige Teilchen Plumpudding-Modell (um 1900) Beispiel Atom-Modell: 1896: Entdeckung der Radioaktivität (Becquerel) 1897: Entdeckung der Elektronen (Thomson) Aber: Wie ist das Atom aufgebaut????? Rutherford’scher Streuversuch: a-Teilchen (siehe Nebelkammer im Foyer!!) auf Goldfolie schiessen  Struktur im Atom ?? 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Rutherfordsches Streuexperiment (1911) 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Ergebnis des Experimentes Das Atom hat einen kleinen, festen Kern Atomdurchmesser: 100.000 fm Harter Kern: 5 fm (1fm = 10-15m) (Kern : Atom) wie (Kirsche : Fußballfeld) 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Technisches Seminar: Teilchenphysik Die Struktur des Atoms 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff  Beobachtung einzelner Protonen 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium  Beobachtung einzelner Neutronen Kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen Riesige Elektronenhülle 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Mikroskope der Teilchenphysik Information über kleinste Strukturen: Wurfgeschoß (Projektil) Elektronen, Positronen Protonen, Antiprotonen Photonen Zielobjekt Protonen Nachweis (Detektor)=Auge des Experimentes Beschleuniger 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Teilchenbeschleunigung Energie: 1 ElektronVolt = 1eV 1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV 1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 106 eV 1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 109 eV 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Teilchenbeschleuniger. Das Prinzip Bekannte Version: Fernseher Funktionsprinzip: Simulation 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Technisches Seminar: Teilchenphysik Kavität (ILC, FLASH) 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Im Kreis herum oder gerade aus??? LEP (e+e-) LHC (p p) HERA (e p) 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Im Kreis herum oder gerade aus??? SLAC (Stanford Linear Accelerator) Kalifornien (e+e-) E ~ 92 GeV 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Im Kreis herum oder gerade aus??? ILC (International Linear Collider) E ~ 500-1000 GeV (e+e-) 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Teilchen-Kollisionen Teilchen wechselwirken bei hoher Energie (E = mc2) neue Teilchen entstehen … und zerfallen 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

‘Hinkender’ Vergleich… Cartoon: Claus Grupen 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Detektor = ‘Augen’ des Experimentes 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Detektor = ‘Augen’ des Experimentes 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Technisches Seminar: Teilchenphysik 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Wichtige Beschleuniger HERA (bis 2007) Elektron  Proton Positron  Proton Tevatron Proton  Antiproton LHC (Large Hadron Collider)  S. Moch’s Talk Proton  Proton LEP (Large Electron-Positron Collider, bis 2000) Elektron  Positron ILC (International Linear Collider, Zukunft) 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Elementarteilchen bei HERA Schiessen Elektronen (extrem klein) auf Protonen und Neutronen  Protonen und Neutronen nicht elementar, sondern ‚zusammengesetzt‘ aus Quarks Beweis der Quarkhypothese: 1970: Stanford, Kalifornien; 1989-2007: DESY, Hamburg 1 fm 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Technisches Seminar: Teilchenphysik Teilchenmikroskop HERA (H1 und ZEUS) e auf Protonen: Modernes Rutherford-Experiment e 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Unser Bild des Protons (Neutrons) Erforscht mit HERA 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Wie wechselwirken Teilchen? Wechselwirkung = Kraftwirkung zwischen Teilchen Kennen 4 fundamentale Wechselwirkungen - Gravitation (Schwerkraft) - Elektromagnetismus und Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung S N Nur wichtig in Wechselwirkungen elementarer Teilchen 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen abstossend oder anziehend 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Periodensystem der Teilchen Materieteilchen Kraftteilchen Atome u c t Quarks stark d s b g g elektro- magnetisch e m t Leptonen Z W + W - schwach ne nm nt + Anti-Teilchen 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Wollen Sie einen Nobelpreis?? Dann erklären Sie bitte, warum das Top-Quark so schwer ist, etwa 175 mal so schwer wie das Wasserstoffatom!!! Warum haben die Elementarteilchen unterschiedliche Massen? Warum ist das Proton stabil ? ....... Und woher kommen die Teilchenmassen überhaupt? 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Die Idee: Higgs-Mechanismus Peter Higgs: Masse entsteht in der Wechselwirkung mit einem skalaren Feld (Higgs-Feld) 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Periodensystem der Teilchen Materieteilchen Kraftteilchen u c t Quarks stark d s b g g elektro- magnetisch e m t Leptonen Z W + W - schwach ne nm nt H Higgs-Boson + Anti-Teilchen ??? 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Wie kann man das Higgs-Teilchen ‘sehen’? Man muss es erzeugen z.B. am ILC H Z e- e+ 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Bald: Higgs-Suche am LHC LHC (Large Hadron Collider) Hadronen bestehen aus Quarks p p 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik

Technisches Seminar: Teilchenphysik Beschleuniger mit Detektoren sind die Mikroskope der Teilchenphysiker Einige unserer offenen Fragen: Gibt es das Higgs-Teilchen? Simmt das Standardmodell? Sind die Elementarteilchen wirklich elementar? Wie passt die Gravitation in unser Teilchenbild? Woraus besteht dunkle Materie? Was ist die dunkle Energie? … 12.2.08 S. Riemann Technisches Seminar: Teilchenphysik