Masterclasses Hands-on Particle Physics - Technische Universität Dresden - Montag, 21. Juni 2010 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Ablauf des Tages Einführung Pause und Fragen Datenanalyse Auswertung 08.30 – 10.30 Uhr Einführung 10.30 – 11.00 Uhr Pause und Fragen 11.00 – 12.00 Uhr Datenanalyse 12.00 – 12.15 Uhr Auswertung 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik? Einführung Elementarteilchen Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik? Zum Aufbau der Welt? Zum Universum? 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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? 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Aufbau der Materie – Das Standardmodell 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Aufbau der Materie – Das Standardmodell - Sichtbare Materie 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Aufbau der Materie – Das Standardmodell - - - Sichtbare Materie 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Aufbau der Materie – Das Standardmodell El. Ladung +2/3 -1/3 - - - -1 Sichtbare Materie 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Aufbau der Materie – Das Standardmodell El. Ladung El. Ladung +2/3 -2/3 -1/3 +1/3 - + + + - - +1 -1 Antimaterie Sichtbare Materie 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Woher weiß man das? 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Teilchenphysik = Hochenergiephysik? 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Projektil: Tennisbälle 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Projektil: Murmeln ...Nichts wie weg ! 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Habt ihr auch daheim! Funktionsprinzip: Linearbeschleuniger: DESY (Hamburg) 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Bis 2000: e-e+ bei LEP (CERN) Strahlenergie Ee= 40-100 GeV 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 Elektronische Bilder 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die nächste Generation: Der Large Hadron Collider LHC Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Bilder vom LHC 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Ziele: Suche nach Neuem Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?) Supersymmetrie (Dunkle Materie?) nur 5% des Weltalls ist „normale“ Materie zusätzliche Raumdimensionen 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Zusammenfassung Bausteine Fundamentale Bausteine der Materie: Alle punktförmig Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ? 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
- Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen - Die 4 Kräfte - Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen - Allgemein: Kraftwirkung zwischen Teilchen Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend Anziehend 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die 4 Kräfte Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die 4 Kräfte Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die 4 Kräfte Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Kernzerfälle, Radioaktivität, 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die 4 Kräfte Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion Kernzerfälle, Radioaktivität, Kosmos, Planetensysteme, Galaxien ? 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Drei Ladungstypen Rot + Antirot 2) Starke Kraft Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau Beispiel: Proton 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Drei Ladungstypen Rot + Antirot 2) Starke Kraft Drei Ladungstypen Rot + Antirot Grün + Antigrün Blau + Antiblau Proton Farbneutral 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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: 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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: 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die Massen der Elementarteilchen Scientific American, 1997 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Woher kommen die Teilchenmassen? Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich. Großer Forschungsschwerpunkt am LHC! 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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! 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Ergebnisse hochaktuell Veröffentlicht in Physics Reports, Mai 2006 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Detektorverhalten „Teilchen-Jet” 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Zusammenfassung Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren Hadronen Pion Myon 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Für die ganz Neugierigen BACKUP
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, ...) 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die Bedeutung der Teilchenmassen Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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! 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
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 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die 4 Detektoren am LHC 21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow