Warum ist nicht nichts? 24. Oktober, 2015 Frank Rathmann Science College Haus Overbach, Barmen

Evolution des Universums Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Das Schicksal Der Antimaterie ? Woher kommt die Materie im Universum? f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Das Rätsel unserer Existenz Aber: Eigentlich sollte es wegen der Teilchen – Anti-Teilchen Vernichtung in Strahlung auch keine Materie geben: Das Rätsel unserer Existenz f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Aufbau der Materie: Vom Großen zum Kleinen Gravitation Elektro- Magnetismus Starke WW f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Starke Wechselwirkung, Kernkraft Größenvergleich proton neutron 10–10 m Electron (-) Nucleus (+) cherry stone 10–14 m quarks 10 −14 m f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Das Standard Model der Teilchenphysik f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Bisher kein Nachweis von Anti-Helium oder Anti-Kohlenstoff Kernen Suche nach Antimaterie Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) auf der Internationalen Raumstation (ISS) Bisher kein Nachweis von Anti-Helium oder Anti-Kohlenstoff Kernen f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Ungelöste Fragen: Jenseits des Standard Models Warum beobachten wir Materie und fast keine Antimaterie, wo wir doch annehmen, dass es eine Symmetrie zwischen beiden im Universum gibt? Was ist diese dunkle Materie, die wir nicht sehen können, und die doch sichtbare gravitative Effekte im Kosmos zeigt? Warum kann das Standard Model keine Teilchenmassen vorhersagen? Sind Quarks und Leptonen tatsächlich fundamental, oder bestehen sie aus noch fundamentaleren Teilchen? Warum gibt es genau drei Generation von Quarks und Leptonen? Wie passt die Gravitation da hinein? From http://particleadventure.org/beyond_start.html f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

𝑷: 𝒙 𝒚 𝒛 → −𝒙 −𝒚 −𝒛 𝑻: 𝒕 → −𝒕 Symmetrien C-Parität: Parität: Physikalische Gesetze sind invariant gegenüber bestimmten Transformationen 𝑷: 𝒙 𝒚 𝒛 → −𝒙 −𝒚 −𝒛 Parität: T-Symmetrie 𝑻: 𝒕 → −𝒕 C-Parität: Ändert das Vorzeichen aller quantisierten Ladungen: Elektrische Ladung, Baryonenzahl, Leptonenzahl, Flavor Ladung, Isospin (3rd-Komponente) f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Symmetrien Parität 𝑷 (Punktspiegelung) f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Symmetrien Parität 𝑷 (Punktspieglung) Zeitumkehr 𝑻 (Prozess läuft rückwärts) Ladungskonjugation 𝑪 (Teilchen-Antiteilchen) f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Elektrische Dipolmomente (EDMs) 𝒑 =𝒒∙ 𝒔 Definition Beispiel: H2O Wassermolekül: permanentes EDM (Degenerierter Grundzustand aus Zuständen unterschiedlicher Parität) 𝒑 ~ 𝟔 × 𝟏𝟎 −𝟑𝟎 𝐂∙𝐦 ~ 𝟒× 𝟏𝟎 −𝟗 𝐞∙𝐜𝐦 Ladungsseparation produziert ein elektrisches Dipolmoment f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Fundamentale Teilchen Ladungssymmetrie  kein EDM (𝒅=𝟎)  : MDM 𝒅 : EDM Besitzen Teilchen (Elektron, Nucleon, …) ein EDM? f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Suche nach Elektrischen Dipolmomenten A. Sakharov (1967): Kombinierte 𝑪𝑷 Symmetrie muss verletzt sein, um den Materieüberschuss zu erklären. Verletzung der 𝐶𝑃-Symmetrie kann verantwortlich sein für die Existenz elektrischer Dipolmomente bei elementaren Teilchen. Elektrische Dipolmomente könnten am Beschleuniger COSY/Jülich nachgewiesen werden f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Präzisionsgrenze Beispiel: Neutron (nEDM) Adapted from: Nature, Vol 482 (2012) Die Suche nach Elektrischen Dipolmomenten (EDM) fundamentaler Teilchen ist ein eher langwieriges Unterfangen f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Oberes Limit → Separation ≈ Durchmesser eines Haares (10 μm) Präzisionsgrenze Nukleon Erde + - 𝟏𝟎𝟐𝟑 fm expand Oberes Limit → Separation ≈ Durchmesser eines Haares (10 μm) 1 fm EDMs sind sehr klein! f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

COSY Beschleuniger in Jülich als Spin Laboratorium Was braucht man: Spin-polarisierte Teilchen, die gespeichert werden können und deren Polarisation man über lange Zeit beobachten kann. unpolarisiert polarisiert COSY Beschleuniger in Jülich als Spin Laboratorium f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Neu: Suche nach EDMs von geladenen Teilchen (𝒑,𝒅) in Speicherringen Ziel: 10-3 x nEDM Obergrenze Idee: Beobachtung der zeitlichen Änderung der Spin-Richtung eines polarisierten Teilchenstrahls f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Vom COSY (Kühler- und Speicherring) am FZJ … f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Vom COSY (Kühler- und Speicherring) am FZJ … f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Vom COSY (Kühler- und Speicherring) am FZJ … … zu einem neuartigen Präzisions-Speicherring mit zwei gegenläufigen polarisierten Teilchenstrahlen: f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

Schicksal der Antimaterie – Wieso existieren wir? Suche nach neuer CP-Verletzung Neu: EDM von geladenen Teilchen – Präzision; Entdeckungspotenzial f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?

“Man muß etwas Neues machen, um etwas Neues zu sehen.” Georg Christoph Lichtenberg (1742-1799) “Man muß etwas Neues machen, um etwas Neues zu sehen.” f.rathmann@fz-juelich.de Wieso ist nicht nichts?