Von Quanten, Quarks und der spanischen Königin Ein Ausflug an die Grenzen der Physik Peter Schleper Hamburg, 4.4.2005

Quantenphysik: kleinste Bausteine der Natur Periodensystem der Elemente Teilchenphysik: Quarks und Elektronen fundamental und unteilbar In Hamburg: Institut für Experimentalphysik + DESY: Deutsches Elektronen Synchrotron

Materie und Antimaterie Relativität und Quantentheorie Albert Einstein 1905: Paul Dirac 1928 : Spezielle Relativitätstheorie: Masse ist eine Form von Energie Aus Energie können neue Teilchen mit Masse erzeugt werden Relativitätstheorie + Quantentheorie Vorhersage der Antimaterie Elektron: Ladung = - 1 Positron: Ladung = +1 Mathematische Strukturen  Vorhersage der Eigenschaften der Natur

Entdeckung der Antimaterie Höhenstrahlung Photo einer Teilchenreaktion Blasenkammer 1933 Ursprung der Höhenstrahlung ?

Teilchen-Erzeugung Neutrino-Strahl

Teilchen-Beschleuniger E= mc2  viel Energie um neue Teilchen zu entdecken Chemische Bindung ~ 1 eV Masse Proton: 1 GeV Masse top Quark: 175 GeV Beschleuniger: HERA: 320 GeV Large Hadron Collider: 14000 GeV Proton International Linear Collider: ~0,8 TeV Elektron DESY Gelände in HH-Bahrenfeld HERA: 6,7 km Tunnel, 1 Mrd Euro Kosmos: Teilchenrate zu (?) gering e+e- Beschleuniger: Präzision  Vorhersagen pp Beschleuniger: Energie groß  Entdeckungen

HERA: Starke Kraft der Quarks ZEUS-Experiment Elektron e+ p Quark - Jet

Das Standard-Modell: Teilchen und Kräfte Materie-Teilchen: 1. Generation Entdeckungen 2. Generation: Myon, Strange Quark Vorhersage: Neutrino,Charm 3. Generation: Tau, Bottom Vorhersage: Neutrino, Top …wegen Symmetrie zur 1.Generation Naturkräfte: Elektromagnet.: Photon Schwache Kraft: W,Z (CERN) Starke Kraft: Gluon (DESY) Gravitation: ? 23 Nobelpreise seit 1967

Theorien der Physik Warum diese Teilchen ? Warum diese Massen, Ladungen ? Gelten die Naturgesetze überall und immer ? Warum ist die Natur so, wie sie ist ? Sind die Naturgesetze Vollständig ? Weltformel ? Matemathische Widersprüche bei Energie ~ 1000 GeV Higgs Teilchen, Supersymmetrie vorhergesagt, bisher nicht gefunden

Extrapolation der Naturgesetze Kosmologie und Teilchenphysik

Dunkle Materie im Kosmos Aus Beobachtung der Rotation von Galaxien und weit entfernter Supernova-Explosionen Dunkle Energie (Kosmologische Konstante) Dunkle Materie Normale Materie (davon nur ca. 10% leuchtend) Neutrinos min. 0.1% max. 6% Unbekannte Form der Materie: Photino ???

LHC: der Large Hadron Collider CERN: Europäisches Zentrum für Teilchenphysik in Genf Proton-Proton Kollisionen bei 14000 GeV Faktor 1000 mehr Kollisionen als bisher 27 km Tunnel Start: 2007

CMS Detektor 1950 Physiker aus 39 Ländern 10 Jahre Bauzeit 400 MEuro 2000 GByte Daten / Jahr Im Vergleich: ZEUS CMS: 50 Mill. elektron. Kanäle 214 m2 Fläche Silizium-Wafer ZEUS: 2,5 m2

Moderne Detektoren Institut für Exp. Physik Teil eines Si-Wafers Präzision durch Halbleiter-Technologie Diode in Sperrichtung: Strom nur bei Ionisation durch Teilchen Auflösung (Ort): 10 mm Impulsmessung im Magnetfeld: bis ca 1012 eV Teilchen-Rekonstruktion Institut für Exp. Physik

Supersymmetrie am LHC Simulation Supersymmetrischer Ereignisse bei LHC Supersymmetrie kann mit grosser Wahrscheinlichkeit gefunden werden

Higgs bei LHC Gluonen aus Protonen: gg  H Higgs Entdeckung unvermeidbar (falls es existiert)

International Linear e+e- Collider Weltweite Übereinstimmung aller Teilchenphysiker: ILC ist nächstes Großprojekt Konkurrenz: Japan, USA, Deutschland (DESY: TESLA) DESY Technology: Supraleitende Kavitäten DESY: Beschleunigungsrekord 35000000 Volt / m 33 km langer Tunnel im Norden von Hamburg

e+e- Linear Collider Stand des Projekts: DESY Vorschlag 2000 Japan, USA: 2004 Weltweite Einigung auf: DESY Supraleitungs-Technologie Einmaliges Zeugnis für deutsche Hochtechnologie ! EU, USA, Japan, … OECD Ministerrat, UN Science Forum Physiker warten auf politische Entscheidung….. …besonders auch in Hamburg Vorteile: Sehr einfache Messungen Große Genauigkeit Extrapolation zu großen Energien

Stand der Physik Ein Zitat: …it seems probable that most of the grand underlying principles of Physical Science have been firmly established and that further advances are to be sought chiefly in the rigorous applications of these principles to all the phenomena which come under our notice. … An eminent physicist has remarked that the future truths of Physical Science are to be looked for in the sixth place of decimals. Aus: Physics Curriculum Uni. Chicago, 1898-99 Kurz danach: Röntgen Strahlung, Entdeckung des Elektrons, Atom = Kern+Hülle, Relativitätstheorie, Quantenmechanik Bald: Higgs, SUSY

Forschungsförderung am Beispiel: Terra incognita Fundamentale neue Theorie Plan für ein Experiment Verspricht Geldgebern großen praktischen Nutzen Internationale Zusammenarbeit 3-fach redundantes Experiment Nicht wie erwartet, dennoch großer Erfolg.

Zusammenfassung: Teilchenphysik Higgs Supersymmetry Extra Dimensionen Schwarze Loecher Nutzen: Supraleitungs-Technologie (DESY) world wide web (CERN !) world wide grid Grundlagenforschung ist Teil unserer kulturellen und wirtschaftlichen Identität