Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Studieninformationstag 2003 RWTH Aachen Joachim Mnich

Elementarteilchenphysik: Erforschen, was die Welt im Innersten zusammenhält (Goethe, Faust) I) Was sind die fundamentalen Bausteine der Materie? II) Welches sind ihre fundamentalen Wechselwirkungen (Kräfte)? Demokrit (ca. 400 vor Christus) führte den Begriff Atom ein als Bezeichnung der unteilbaren Bausteine der Materie

Elementarteilchenphysik Kosmologie Astronomie, Astrophysik Festkörperphysik , Atomphysik Kernphysik Mechanik, Optik, angewandte Physik, Geophysik, ... 100 000 000 000 000 000 000 000 000 m entspricht ca. 10 Milliarden Lichtjahre Entfernung Sonne-Erde: 150 Million km oder 8 Lichtminuten 56 g Eisen enthalten 6 ·1023 = 600 000 000 000 000 000 000 000 Eisenatome 0,000 000 000 000 000 001 m

v = H0 d Verbindung zwischen Elementarteilchenphysik und Kosmologie Moderne Messungen mit Hubble-Satellit Daraus folgt im Umkehrschluss Das Universum hatte einen Anfang (Urknall oder Big Bang) Es entstand vor ca. 15 Milliarden Jahren aus einer Singularität Frühe Phase ist gekennzeichnet durch kleine Abstände und hohe Temperaturen, d.h. hohe Energien „Ursuppe“ aus Elementarteilchen Ausdehnung des Universums: Edwin Hubble (1929): Galaxien entfernen sich voneinander: v = H0 d Große Entfernung d entspricht großer Fluchtgeschwindigkeit v Die Theorie des Urknalls (Big Bang) verbindet die Physik der größten und der kleinsten Abstände

Theorie Experiment

Theoretische Fundamente der Elementarteilchenphysik E = mc2 Relativitätstheorie: Masse ist Energie und Energie ist Masse Erzeugung von Teilchen mit großen Massen erfordert hohe Energie Albert Einstein  = h/p Quantentheorie: Teilchen sind Wellen und Wellen sind Teilchen Je größer der Impuls p, oder die Energie E, umso kleiner ist die Wellenlänge  M. Planck Unschärferelation x p  ћ Ort und Impuls nicht beliebig genau messbar W. Heisenberg ... und Gott würfelt doch ... Elementare, quantenphysikalische Prozesse sind nicht deterministisch, nur Wahrscheinlichkeiten berechenbar Experimente müssen häufig wiederholt werden

Untersuchung subatomarer Strukturen: Die Untersuchung kleinster Strukturen erfordert Strahlung (Teilchen) kleinster Wellenlängen, d.h. höchster Energien > x Strukturgröße  Wellenlänge Elementarteilchenphysik = Hochenergiephysik Elementarteilchen sind strukturlose Objekte ohne räumliche Ausdehnung, die Eigenschaften wie Masse, Ladung, Spin etc. besitzen Untersuchungen bei höheren Energien: Überprüfung von Kandidaten für Elementarteilchen Erzeugung von neuen, schwereren (Elementar)-Teilchen Untersuchung der fundamentalen Wechselwirkungen Annäherung an den Urknall

Teilchenbeschleuniger: + + + + Geladene Teilchen, wie z.B. Elektronen, gewinnen Energie im elektrischen Feld („Beschleunigung“) Energiegewinn Spannungsdifferenz 1 eV 1 V 1 keV 1 000 V 1 MeV 1 000 000 V 1 GeV 1 000 000 000 V – – – – Geladene Teilchen werden in Magnetfeldern abgelenkt (senkrecht zur Feld- und Bewegungsrichtung Fernsehapparat ist ein Teilchenbeschleuniger: Energie des Elektronenstrahls: 20 KeV = 20 000 eV Wellenlänge der Elektronen:   10–11 m

Beschleuniger zur Erzeugung von Teilchenstrahlung höchster Energie Beschleunigung geladener Teilchen durch elektromagn. Wellen in Hohlraumresonatoren Schiesse energiereiche Teilchen auf Probe und untersuche gestreute Teilchen Linearbeschleuniger Ringbeschleuniger Wesentlich höhere Energien erreichbar durch Teilchenkollissionen ( Collider)

HERA am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg: Protonen

LEP (Large Electron Positron Collider) am CERN in Genf: Strahlenergie 100 GeV, 27 km Umfang, Betrieb 1989 – 2000 Positronen Elektronen

Bilder aus dem LEP-Tunnel:

Detektoren Große Apparate zum Nachweis (typisch 10 m  10 m  10m) der erzeugten Teilchen (typisch 10 m  10 m  10m) Internationale Kollaborationen mit mehreren hundert Physikern Beispiel: Der DELPHI-Detektor am LEP-Speicherring

Aufbau der Materie (1) Altertum: Vier Elemente Feuer, Wasser, Erde, Luft Ende des 19. Jahrhunderts: Periodensystem der chemischen Elemente Etwa 100 Bausteine der Materie 1911: Rutherford Streuexperiment -Teilchen (E  5 MeV) an Goldfolie Atomkern  10-15 m Protonen & Neutronen Atomhülle  10-10 m Elektronen Atome sind „leer“! Atombild aus Schmelling Schulvortrag

Aufbau der Materie (2) 1960: Hofstadter Protonen und Neutronen sind Elektron-Proton-Streuung Energie  GeV Protonen und Neutronen sind nicht elementar, sondern enthalten jeweils 3 „Quarks“ Man braucht 2 verschiedene Quarks um Proton und Neutron aufzubauen: up-Quark mit Ladung +2/3 down-Quark mit Ladung –1/3 q q q Proton = (u u d) Neutron = (u d d) 1930: W. Pauli postuliert das Neutrino e Entsteht in vielen Kern- und Teilchenreaktionen, z.B. Energieproduktion der Sonne durch Kernfusion, Zerfall des Neutrons Eigenschaften: Ungeladen, (fast) masselos Fast keine Wechselwirkung mit Materie Das Neutrino wurde erst 1956 experimentell nachgewiesen

Aufbau der Materie (3) Neutrinos sind sehr wichtige Teilchen im Universum Die Sonne im Neutrino-Licht: Beispiel: Energieproduktion der Sonne 6,4 · 1010 Sonnenneutrinos pro cm2 und Sekunde auf der Erde

Materie ist aus Fermionen aufgebaut! Die fundamentalen Fermionen (1) Alle bekannte Materie des Universums besteht aus 4 Teilchen: Ladung Spin Leptonen e Neutrino e– Elektron – 1 ½ Quarks u up-Quark d down-Quark + 2/3 – 1/3 Eigenschaften dieser Teilchen: Punktförmig (R < 10–18 m) strukturlos, elementar Eigendrehimpuls (Spin) s = ½ ћ daher der Name Fermionen Materie ist aus Fermionen aufgebaut! Ach so, alles besteht aus Quarks und Leptonen! Wer hätte gedacht, dass es so einfach ist? Aber ...

Materie und Antimaterie Aufbau der Materie aus den fundamentalen Bausteinen: + Neutrino Antimaterie: Zu jedem der 4 Fermionen existiert ein Antiteilchen Gleiche Eigenschaften, nur umgekehrte Ladung Beispiel: Antielektron (Positron) e+, Anti-u-Quark (Ladung -2/3) , ... Warum beobachten wir nur Materie im Weltall und keine Antimaterie? Aufbau von Antimaterie aus den Antifermionen: Anti- quarks Antineutron Antiproton Antikern Positron Antiatom Antimaterie + Antineutrino

Die fundamentalen Fermionen (2) Von jedem (Anti)-Fermionen existieren 3 identische Kopien: I. Spin Ladung ½ +2/3 –1/3 u up-Quark d down-Quark Quarks –1 e Neutrino e– Elektron Leptonen II. III.  Myon-Neutrino – Myon –1 ½ c charm-Quark s strange-Quark +2/3 –1/3  Tau-Neutrino – Tau –1 ½ t top-Quark b bottom-Quark +2/3 –1/3 3 Familien oder Generationen Fermionen veschiedener Generationen haben identische Eigenschaften Einziges Unterscheidungsmerkmal: die Masse Beispiel: Myon – ist ca. 200 mal schwerer als Elektron bei sonst gleichen Eigenschaften „Who ordered that?“ Schwere Fermionen zerfallen in leichte, z.B. –  e– e  Warum existieren diese drei Kopien der fundamentalen Fermionen?

Die fundamentalen Wechselwirkungen ) Gravitation (Schwerkraft) Elementarteilchen: zu schwach, spielt keine Rolle Gravitation ist kein Bestandteil des Standardmodells ) Elektromagnetische Wechselwirkung Elektrostatik Magnetismus Bindet Elektronen und Kern zu Atomen und Atome zu Molekülen und Kristallen ) Schwache Wechselwirkung äußert sich in bestimmten Kern-und Teilchenreaktionen, z.B. Neutronzerfall: n  p e– e oder Sonne: 4 H  He + 2 e ) Starke Wechselwirkung Bindet Quarks in Protonen und Neutronen, Kernkraft

Ladungen  Wechselwirkungen Die Fermionen tragen Ladungen, die ihre Wechselwirkungen bestimmen: Ladung Wechselwirkung Masse Gravitation elektrische elektromagnetische schwache Farbe starke Quarks tragen „Farbe“, Leptonen nicht Name stammt aus Analogie mit Farblehre rot + grün + blau = weiß (farblos)

Theorie der fundamentalen Wechselwirkungen Symmetrie (oder Eichfreiheit) in der Physik: Einfaches Beispiel ist Rotationssymmetrie einer Kugel Ausgang eines Experimentes hängt nicht von Orientierung der Kugel ab Absolute Orientierung ist nicht messbar! Theoretische Beschreibung der fundamentalen WW basiert auf Symmetrien (genauer: lokalen Eichsymmetrien) Elementarteilchenphysik: unmessbare Phasen der Wellenfunktionen, die Elementarteilchen beschreiben Wechselwirkung Gruppe Gravitation ? elektromagnetische U(1) schwache SU(2) starke SU(3) Warum sind genau diese Symmetrien realisiert? Mathematische Beschreibung durch Gruppentheorie Jeder Wechselwirkung ist eine Symmetriegruppe zugeordnet

Austauschteilchen (Bosonen) Jeder Symmetrie (= Wechselwirkung) entspricht ein „Feld“ und jedem Feld ein Teilchen, z.B: Elektromagnetisches Feld  Photon  Wechselwirkungen werden durch Austauschteilchen vermittelt Tabelle der Austauschteilchen: Materie besteht aus Fermionen Spin s = 1/2 ћ Wechselwirkungen werden durch Bosonen s = ћ vermittelt Alle Austauschteilchen sind im Experiment nachgewiesen! Wechselwirkung Teilchen Spin [ћ ] Ladungen elektr. schwach Farbe Masse [c2] Gravitation ? 1 Elektromagnetische Photon  –1 — Schwache Z-Boson W± -Bosonen ±1 91,2 GeV 80,4 GeV Starke Gluon g 8 Komb.

Vereinheitlichung der Wechselwirkungen Warum gibt es diese vier fundamentalen Wechselwirkungen? Stärke der Wechsel- wirkungen ändert sich mit Energie Stärke  Extrapolation der Energieabhängigkeit der Kopplungskonstanten Charakterisiert durch Kopplungskonstanten Kopplungsstärken werden gleich bei E  1016 GeV Vermutungen: Bei 1016 GeV gibt es nur eine fundamentale Wechselwirkung Bei 1019 GeV wird die Gravitation zwischen Elementarteilchen wichtig 10–43 Sekunden nach dem Urknall Leider nicht durch Teilchenbeschleuniger erreichbar... Energie in GeV 

Das Higgs-Boson Mathematischer „Trick“: Das schöne Konzept der lokalen Eichsymmetrien funktioniert nicht mit massiven Austauschteilchen Z-Boson W±-Bosonen 91,2 MeV /c2 80,4 MeV/c2 Grund ist die Unschärferelation: massives Austauschteilchen = endliche Reichweite der Wechselwirkung Mathematischer „Trick“: Das Vakuum ist nicht „leer“ sondern erfüllt vom Higgs-Feld Wir kennen alle Eigenschaften des Higgs-Bosons, außer der Masse! Es muss noch ein Teilchen geben Das Higgs Boson H0 ungeladen, Spin s = 0, koppelt an die Masse

Zukunft: LHC (Large Hadron Collider) ab 2007 im LEP-Tunnel Proton-Proton-Beschleuniger Schwerpunktsenergie 14 000 GeV Beispiel: CMS-Detektor

Senkrechter Schnitt durch den CMS Detektor: Computersimulation der Signale verschiedener Teilchen, die am Kollsionspunkt erzeugt werden Extreme Zeitlupe, da sich alle Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen!

Geplanter TESLA Elektron-Positron-Beschleuniger

Elementarteilchenphysik im Jahr 2003: Materie besteht aus Quarks und Leptonen Spin 1/2 R < 10-18 m Fundamentale Wechselwirkungen und Austauschteilchen (Spin 1) Gravitation ??? elektromagn. Photon schwach W±, Z starke WW Gluonen Masse der Teilchen Existiert das Higgs-Boson?

Elementarteilchenphysik für die Allgemeinheit Internet-Adressen Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY (Hamburg): http://www.desy.de http://www.desy.de/html/arbeiten/angebote_schueler.html Europäisches Kernforschungszentrum CERN (Genf): http://www.cern.ch Deutsche „Outreach“-Gruppe für Elementarteilchenphysik: http://outreach.web.cern.ch/outreach/public/de/Page1.html

Computersimulation der Geschichte des Universum: