Masterclasses Hands-on Particle Physics Technische Universität Dresden - Montag, 25. Dezember 2010 Betreuer: Frank Seifert, Anne Glück Tutorin: Friederike Krüger Vorbereitung: Luise Kahnt 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Ablauf des Tages Einführung Pause und Fragen Datenanalyse 11.10 – 14.10 Uhr Einführung 12.20 – 13.20 Uhr Pause und Fragen 14.10 – 15.10 Uhr Datenanalyse 15.10 – 15.30 Uhr Auswertung und Quiz 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik? Einführung Elementarteilchen Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik? Zum Aufbau der Welt? Zum Universum? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Warum Elementarteilchenphysik?? • Woraus bestehen wir und unsere Welt? • Welches sind die kleinsten Bausteine (fundamentalen Teilchen)? • Welche Kräfte halten alles zusammen? • Gibt es eine einfache, einheitliche Beschreibung für das Ganze? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Aufbau der Materie – Das Standardmodell 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Aufbau der Materie – Das Standardmodell - Sichtbare Materie 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Aufbau der Materie – Das Standardmodell - - - Sichtbare Materie 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Aufbau der Materie – Das Standardmodell El. Ladung +2/3 -1/3 - - - -1 Sichtbare Materie 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Aufbau der Materie – Das Standardmodell El. Ladung El. Ladung +2/3 -2/3 -1/3 +1/3 - + + + - - +1 -1 Antimaterie Sichtbare Materie 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Woher weiß man das? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Nützliche Einheiten für Teilchen Größe: 1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m (1 mm = 1.000.000.000.000 fm) Energie: 1 ElektronVolt = 1eV 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Teilchenphysik = Hochenergiephysik? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Teilchenbeschleuniger als Mikroskope Sehen = Abbilden Abbilden = Struktur auflösen (funktioniert auch ohne Licht!) „Auflösungsvermögen“ : Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Projektilgröße << Größe der Strukturen Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV) Beispiel: 0,2 µm bei E = 1 eV 200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV 0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV >0,15µm 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Projektil: Tennisbälle 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Projektil: Murmeln ...Nichts wie weg ! 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Habt ihr auch daheim! Funktionsprinzip: Linearbeschleuniger: DESY (Hamburg) 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Bis 2000: e-e+ bei LEP (CERN) Strahlenergie Ee= 40-100 GeV 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 Elektronische Bilder 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die nächste Generation: Der Large Hadron Collider LHC Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Bilder vom LHC 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

TU Dresden: ATLAS Experiment Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten 170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Ziele: Suche nach Neuem Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?) Supersymmetrie (Dunkle Materie?) nur 5% des Weltalls ist „normale“ Materie zusätzliche Raumdimensionen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Zusammenfassung Bausteine Fundamentale Bausteine der Materie: Alle punktförmig Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

- Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen - Die 4 Kräfte - Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen - Allgemein: Kraftwirkung zwischen Teilchen Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend Anziehend 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Was ist eigentlich eine Ladung? Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens Additiv: Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die 4 Kräfte 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die 4 Kräfte 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die 4 Kräfte 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Kernzerfälle, Radioaktivität, 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die 4 Kräfte ? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Kernzerfälle, Radioaktivität, Kosmos, Planetensysteme, Galaxien ? 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die Massen der Elementarteilchen Scientific American, 1997 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Woher kommen die Teilchenmassen? Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich. Großer Forschungsschwerpunkt am LHC! 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Antimaterie Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Ladungsvorzeichen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen können paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt können Sich diese wieder zu Botenteilchen vernichten, z.B. e+ + e-  Z0 , am besten wenn 2Ee=mZc2 mZ 2Ee 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Z “Zerfälle“ Das Z Teilchen ist nicht stabil Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere Teilchen um Z0 e+e- +- +- qq  e+ e- Z0 Z0 Zeit 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Zerfallskanäle Aufgabe für danach! Löcher entsprechen „Zerfallskanälen“ Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht vorhersagbar Für einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar Entleerungsdauer ~ absolute Größe der Löcher Zerfallsdauer ~ Stärke der „Kopplungen“ an Teilchenpaare Ergebnis: „Schwache Wechselwirkung“ gar nicht so schwach! Verhältnis der Austrittsmengen ~ Größenvergleich der Löcher Verhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten ~ Größenvergleich der Kopplungen Z0 e+e- +- +- qq  Aufgabe für danach! 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Ergebnisse hochaktuell Veröffentlicht in Physics Reports, Mai 2006 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Teilchenidentifikation = Detektivarbeit Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten feststellbare Teilcheneigenschaften: aus Quarks („Hadronen“) elektr. geladen / ungeladen leicht / schwer 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Detektorverhalten „Teilchen-Jet” 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Zusammenfassung Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren Hadronen Pion Myon 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Schnitt durch einen Sektor des CMS Detektors Teilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen Press “escape” to exit

Zusammenhang mit Entwicklung des Universums 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Für die ganz Neugierigen BACKUP

1) Elektromagnetische Kraft Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Trägt selbst keine Ladung Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r2 ab) Koppelt an elektrische Ladung 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

1) Elektromagnetische Kraft Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Trägt selbst keine Ladung Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r2 ab) Koppelt an elektrische Ladung Ein Ladungstyp mit zwei Zuständen: Ladung und Antiladung “plus” “minus” + - Ladung 0 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

2) Starke Kraft Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Koppelt an starke Farbladung Trägt selbst starke Ladung Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

2) Starke Kraft Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Koppelt an starke Farbladung Trägt selbst starke Ladung Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

2) Starke Kraft Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Koppelt an starke Farbladung Trägt selbst starke Ladung Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

2) Starke Kraft Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Masselos Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit Koppelt an starke Farbladung Trägt selbst starke Ladung Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Drei Ladungstypen Rot + Antirot 2) Starke Kraft Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau Beispiel: Proton 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Drei Ladungstypen Rot + Antirot 2) Starke Kraft Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau Proton Farbneutral 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Drei Ladungstypen Rot + Antirot 2) Starke Kraft Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau Proton +2/3 +2/3 Farbneutral Elektrische Ladung = +1 -1/3 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

3) Schwache Kraft W+, W- und Z0 Boson Hohe Masse (80 – 90 GeV) Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion W+, W- und Z0 Boson Hohe Masse (80 – 90 GeV) Tragen selbst schwache Ladung Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

3) Schwache Kraft W+, W- und Z0 Boson z.B. Betazerfall: Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion W+, W- und Z0 Boson Hohe Masse (80 – 90 GeV) Tragen selbst schwache Ladung Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen Ein Ladungstyp: I3 Tragen alle Bausteinteilchen z.B. Betazerfall: 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

3) Schwache Kraft W+, W- und Z0 Boson Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion W+, W- und Z0 Boson Hohe Masse (80 – 90 GeV) Tragen selbst schwache Ladung Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen Ein Ladungstyp: I3 Tragen alle Bausteinteilchen Unterdrückung der effektiven Kopplung z.B. Betazerfall: 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die Bedeutung der Teilchenmassen Ändern von mu ,md oder me hätte kaum Effekt auf Atommassen kaum Effekt auf Materiedichte riesigen Effekt auf Verhalten der Materie Erniedrige mW auf die Hälfte Sonne brennt viel zu schnell f. Evolution d. Lebens Erniedrige md – me um 1 MeV/c2 ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2 Proton- und Deuteriumzerfall Keine Sterne nur neutrale Teilchen (n, ...) 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die Bedeutung der Teilchenmassen Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die Bedeutung der Teilchenmassen Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich. Großer Forschungsschwerpunkt am LHC! 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Auf der Suche nach der „Weltformel“ heutige experimentelle Grenze Fortschritt der Physik Zurück zum Urknall

Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e ¯  p 800 GeV 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV frühes Universum: Temperatur 1015 K  Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV alle Teilchen kollidieren unkontrolliert gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Protonen und Neutronen sind nicht elementar! Indirekte Hinweise: z.B. Ordnungsschema (60er Jahre) Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen  Quarks 1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg Nötige Treffgenauigkeit: << 1 fm  Energie >> 0,2 GeV Resultat: 1 fm 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu Ein Blick in den Tunnel Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu Strukturen und Abständen von 10-19 Metern Massen auf der Teraskala (E = mc2 = 1TeV) Entwicklung des Universums nach dem Urknall von 0,000.000.000.001 s bis 0,000.01 s 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

mehrere Teilchen-Familien! p, He, ... primäres Teilchen trifft auf Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe  Atmosphäre   n  p e   Entdeckt: 1937-1947 wie e, nur 200x schwerer  e e  Fuji 3776 m  25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Die 4 Detektoren am LHC 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert