Programm 09.30 – 09.50: Begrüßung und Umfrage 09.50 – 11.30: Vorträge Ein Universum voller Teilchen Einführung in die Teilchenphysik Das Unsichtbare sichtbar machen Detektoren und Wechselwirkung von Teilchen mit Materie 11.30 – 12.00: Pause (Mittagessen) 12.00 – 14.00: PC-Übung und Auswertung Einführung in die PC-Übung PC-Übung Auswertung 14.00 – 14.10: Pause 14.10 – 15.30: Abschlussvortagr, Quiz und Umfrage

Ein Universum voller Teilchen Einführung in die Teilchenphysik 25.01.2012 Martin Mamach

Motivation Warum?

Motivation

Motivation Was?

Motivation Kollisionen Maschine

Motivation Alle uns bekannten Bausteine

Motivation Alle uns bekannten Bausteine 4%

Motivation Kräfte

Motivation Kräfte

Motivation Kräfte

Motivation Kräfte

Motivation Freude und Begeisterung

Motivation Freude und Begeisterung ... Begründung für 174 Millionen Euro (2010)

Motivation Grundlagen der Physik der Elementarteilchen und von Detektoren Teilchenzoo des Standardmodels Arbeitsweise von Beschleunigern Themen aktueller Forschung (Gelehrt ab dem 5. Semester des Physikstudiums) Verständnis wissenschaftlicher Arbeit Womit und wie werden Teilchen erkannt Datenanalyse mit echten Daten Superlative in der modernen Physik CERN Andere Teilchen- und Astroteilchenphysik

Motivation

Motivation

Motivation

Motivation - Spielregeln Ihr fragt etwas Wir fragen etwas Interesse am Thema Zum Nachdenken anregen Ausführlichere Erklärung Probleme?

Motivation - Spielregeln Ihr fragt etwas Wir fragen etwas Interesse am Thema Zum Nachdenken anregen Ausführlichere Erklärung Probleme? Mitarbeit verbessert es für beide Seiten

Motivation - Spielregeln Ihr fragt etwas Wir fragen etwas Interesse am Thema Zum Nachdenken anregen Ausführlichere Erklärung Probleme? Mitarbeit verbessert es für beide Seiten Es gibt keine dummen Fragen! Schätzen ist die Aufforderung etwas falschen zu sagen!

Ein Universum voller Teilchen Einführung in die Teilchenphysik 25.01.2012 Martin Mamach

Woran oder wodurch können wir die Ereignisse unterscheiden ? Aller Anfang … In ca. 6 Gruppen teilen Jede Gruppe bekommt 14 Ereignisse Woran oder wodurch können wir die Ereignisse unterscheiden ? Bsp.: Anzahl der Richtungen in welche die Spuren fliegen.

Bevor wir die Spuren untersuchen und verstehen können ... Spurensuche Bevor wir die Spuren untersuchen und verstehen können ... ... müssen wir wissen, womit wir es zu tun hat.

Aufbau der Materie Stecknadelkopf: 10-3m = 0,001m Elektron, Quark: Proton 10-9 m Molekül 10-14 m Atomkern <10-18 m Quark, 10-10 m Atom 1/10.000 1/10 ~ 0,01 m Kristall 1/10.000.000 1/1.000 Elektron

Andere Einheiten Größe: 1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m (1 µm = 1.000.000.000 fm) Energie: 1 eV = 1 Elektronvolt = 1.6 * 10-19 J (eine Ladung auf einem Meter bei 1 V Spannung) 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen

Andere Einheiten Größe: 1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m (1 µm = 1.000.000.000 fm) Energie: 1 eV = 1 Elektronvolt = 1.6 * 10-19 J (eine Ladung auf einem Meter bei 1 V Spannung) Masse via e = mc-2 : 1 eV = 1.78 * 10-36 kg ( Protonmasse = 938 MeV ≈ 1 GeV)

Streuversuche: Unsichtbares Sichtbar machen E.Rutherford: Struktur der Atome durch Streuversuche

Von Beschleunigern zu Collider Ein Beschleuniger lenkt einen Strahl von beschleunigten Teilchen auf ein festes Ziel. Collider – zwei kombinierte Beschleuniger: Zwei Teilchenstrahlen werden beschleunigt und zur Kollision gebracht: Größere Energien werden erreicht.

Arten von Experimenten Elektron-Positron-Collider: Präzisionsmessungen LEP, CERN in Genf bis 2000 (bis 105 GeV pro Strahl) ILC (International Linear Collider) ab 2015(?) Elektron-Proton-Collider: Substrukturmessungen HERA, DESY in Hamburg, bis 2007 (e: 30 GeV, p: 920 GeV) Hadron-Hadron-Collider: Enteckungsmaschienen TEVATRON, FERMILAB in Chicago, bis 2009 (900 GeV pro Strahl) LHC, CERN in Genf (Proton-Proton) seit 2009 (7000 GeV pro Strahl)

Wozu mehr Power? Teilchenstrahlen höchster Energie notwendig, denn mit steigender Energie E (bzw. Impuls p) der Projektile steigt die Fähigkeit, kleine Strukturen Dx zu erkennen Dx Dp = ħ (Heisenberg) die Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen E = mc2 (Einstein)

Wie beschleunigt man Teilchen?

Wie beschleunigt man Teilchen? Nur Verwendung geladene Teilchen

Wie beschleunigt man Teilchen? Nur Verwendung geladene Teilchen (elektrisch) Mit einem elektrischen Feld

Wie beschleunigt man Teilchen? Nur Verwendung geladene Teilchen (elektrisch) Mit einem elektrischen Feld

Wie lenkt man ein Teilchen? Teilchenbahn magnetisches Feld Mit einem Magnetfeld sehr starke Magnetfelder notwendig: hoher Stromverbrauch nur möglich mit supraleitenden Magneten

Verschiedene Arten von Beschleunigern Funktionsprinzip: Linearbeschleuniger: Speicherring:

Teilchenbeschleuniger Notwendige Zubehör: Teilchenbeschleuniger

Teilchenbeschleuniger Zielobjekt: Physik Notwendige Zubehör: Teilchenbeschleuniger Datennehmer: Detektor

Grundkräfte 4 bekannte Grundkräfte

Austauschteilchen sind die Quanten der Kraftfelder Grundkräfte 4 bekannte Grundkräfte Austauschteilchen sind die Quanten der Kraftfelder

Grundkräfte Elektromagnetische Kraft bekannteste aller Kräfte: elektrische und magnetische Phänomene Botenteilchen: Photon γ

Grundkräfte Starke Kraft - Quantenchronodynamik Quarks erscheinen nur im Verband (Bsp Proton = |uud> , Neutron = |ddu>) Quarks erscheinen frei beweglich im Verband Grund: Farbneutral 3 Ladungen: rot, grün, blau Eigenschaft der starken Kraft: die notwendige Energie zum separieren von Quarks wächst mit dem Abstand (Analogie: Federkraft) Gluonen tragen Farbladung und koppeln aneinander

Grundkräfte Schwache Kraft

Grundkräfte Schwache Kraft Eigenschaften durch Theorie und andere Experimente gut vorhergesagt/bestimmt Später selber bestimmen

Bausteine der Materie Stabile Materie: ? ? ? ? ? ? Strukturlose, fundamentale Teilchen: Alle Leptonen Teilchen mit innerer Struktur: Proton, Neutron,…. aufgebaut aus Quarks

Bausteine der Materie Stabile Materie: up- und down-Quark, Elektronen Strukturlose, fundamentale Teilchen: Alle Leptonen Teilchen mit innerer Struktur: Proton, Neutron,…. aufgebaut aus Quarks

Das Standard-Modell der Teilchenphysik Sehr erfolgreiches Modell: Bisher in allen experimentellen Tests gut bestätigt Noch nicht entdeckt, aber schon Hinweise gefunden: Higgs-Boson erklärt, wie Teilchen Masse bekommen

Offene Fragen Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:

Offene Fragen Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen: Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)? Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende Antimaterie (CP-Verletzung)?

Offene Fragen Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen: Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)? Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende Antimaterie (CP-Verletzung)? Gibt es eine fundamentale Kraft? Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde? Gibt es zusätzliche Dimensionen?

Offene Fragen Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen: Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)? Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende Antimaterie (CP-Verletzung)? Gibt es eine fundamentale Kraft? Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde? Gibt es zusätzliche Dimensionen? Kennen wir alle Teilchen (Supersymmetrie, 4. Generation)? Wir kennen nur einen kleinen Teil des Universums (Dunkle Materie und dunkle Energie)!

LHC mit ATLAS, CMS, ALICE und LHCb Offene Fragen Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen: Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)? Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende Antimaterie (CP-Verletzung)? Gibt es eine fundamentale Kraft? Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde? Gibt es zusätzliche Dimensionen? Kennen wir alle Teilchen (Supersymmetrie, 4. Generation)? Wir kennen nur einen kleinen Teil des Universums (Dunkle Materie und dunkle Energie)! LHC mit ATLAS, CMS, ALICE und LHCb

Teilchenbeschleuniger Zielobjekt: Physik Notwendige Zubehör: Teilchenbeschleuniger Datennehmer: Detektor