Reise in die subatomare Welt Helmut Eberl Ausstellung LHC2008 21. Oktober 2008

e- g Was ist ein Elementarteilchen? Elementar: Bis heute keine Zusammensetzung aus noch kleineren Teilchen gefunden. Quantentheorie: Materie- und Kräfteteilchen haben sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter Welle-Teilchen Dualismus Beispiele: e- Elektron g Photon Lichtteilchen 21. Oktober 2008 LHC2008

P+ e- g Das Wasserstoffatom Photonaustausch Gebundener Zustand - Elektromagnetismus Photonaustausch g P+ 21. Oktober 2008 LHC2008

P+ e- e- e- e- 10-14 m < 10-18 m 10-14 m 10-10 m 21. Oktober 2008 LHC2008

P+ u d Der Wasserstoffkern – das Proton besteht aus zwei up quarks und einem down quark! d u P+ Elektrische Ladung 2/3 2/3 - 1/3 Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt! Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen? 21. Oktober 2008 LHC2008

u d Die starke Kraft (Kernkraft) g 3 Farbladungen 8 Gluonen (Farbe dient hier nur als anschauliches Analogon) d u g Messbare Objekte sind farbneutral. Es existieren somit keine freien quarks – “confinement”. (Nobelpreis 2004 an D. Gross, H.D. Politzer, and F. Wilczek) 21. Oktober 2008 LHC2008

d u g 2 quarks Nicht erlaubt! 21. Oktober 2008 LHC2008

u Pion p+ 2/3 g d 1/3 Drei Bindungsmöglichkeiten: (q q q) = (Proton, Neutron, …) (q q q) = (Antiproton, Antineutron, …) und (q q) = (Pionen, …) 21. Oktober 2008 LHC2008

e- e+ u u Antiteilchen: Elektron Positron up anti-up Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen, aber umgekehrte Ladungen (additive Quantenzahlen) e- e+ Elektron Positron u u up anti-up 21. Oktober 2008 LHC2008

P+ u d u d + ?+ Das Neutron 2/3 = -1/3 + 1 besteht aus einem up quarks und zwei down quarks! d u P+ 2/3 - 1/3 - 1/3 2/3 = -1/3 + 1 Zusammenhang mit Proton: d u + ?+ 21. Oktober 2008 LHC2008

d u d u e+ ne Die schwache Kraft Neutron Proton W+ Im Zentrum der Sonne wird Wasserstoff (= Protonen) zu Helium (zwei Protonen und zwei Neutronen) fusioniert. Dadurch leuchtet sie. Doch wie funktioniert das im Detail? Startprozess ist die Fusion von 2 Protonen zu Deuterium. Dabei wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und sendet ein W+ -Boson (Vermittler der schwachen Kraft) aus, das in ein e+ und e-Neutrino zerfällt. d u Neutron d u Proton e+ ne W+ 21. Oktober 2008 LHC2008

Erde Dieses Bild zeigt die Sonne aus der Sicht vom Soft X-Ray Telescope (SXT) an Bord des Yohkoh Satelliten Quelle: NASA Goddard Laboratory for Atmospheres 21. Oktober 2008 LHC2008

Kernfusion in der Sonne Proton-Proton-Reaktion I: 91% 1H+ + 1H+ → 2H+ + e+ + ne + 0,42 MeV ne ne (e+ + e- → 2 g + 1,022 MeV) In der Sonne dauert es im Schnitt 109 Jahre, bis ein bestimmtes Proton mit einem anderen reagiert. Durch die große Anzahl von Protonen im Sterninneren geschieht dies jedoch häufig genug, um die Reaktion kontinuierlich ablaufen zu lassen. Nach ca. 1,4 Sekunden: 2H+ + 1H+ → 3He2+ + g + 5,49 MeV g g 3He2+ +3He2+ → 4He2+ + 1H+ + 1H+ + 12,86 MeV g ne 21. Oktober 2008 LHC2008

W+ Z0 W- Es gibt 3 Vermittlerteilchen der schwachen Kraft: Sie sind sehr schwer (80 u. 91 GeV) und wurden daher erst 1983 im CERN am SPS Ring entdeckt (Nobelpreis 1984 an S. van der Meer und C. Rubbia). Z0 W- Kräfte sind Spezialfälle von Wechselwirkungen, da viele Teilchen auch zerfallen und bei entsprechend hohen Energien infolge ERuhe = m c2 produziert werden können! 21. Oktober 2008 LHC2008

e+ u ne d m- ne nm c s nt t- t b nm m+ c s t+ nt t b u d ne e- Das Standardmodell der Elementarteilchen Materie e+ Gen. -2/3 1/3 +1 Antimaterie u ne d m- ne 2. Gen. nm c s 3. Gen. nt t- t b 2. Gen. nm m+ c s 3. Gen. t+ nt t b u 2/3 d -1/3 El. Ladung ne e- -1 Gen. 21. Oktober 2008 LHC2008

Kräfte g g g W+ g g Z0 g g W- g g Starke Kraft Schwache Gluonen Kraft W- u. Z-Bosonen Elektromagnetische Kraft Photon g g W+ g g g Z0 g g W- g g Gravitation – Graviton? extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften, in Beschleunigerexperimenten vernachlässigbar 21. Oktober 2008 LHC2008

Sollte das Higgs-Teilchen existieren, dann wird es mit an Sicherheit Das Standardmodell ist nun komplett, außer dem ominösen Higgs-Teilchen. 1964 entwickelte der britische Physiker Peter Higgs einen formalen Mechanismus, durch den zunächst masselose Teilchen durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld (dem Higgs-Feld) massiv werden. Das Higgs-Boson ist für die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil es – bisher – die einfachste bekannte und experimentell konsistente Erklärung dafür ist, wie die Kraftteilchen eine Masse haben können – denn die grundlegende Theorie erfordert masselose Kraftteilchen, da sie ansonsten mathematisch nicht funktioniert. Die W- und Z-Bosonen, haben aber sogar eine recht große Masse! Der Higgs-Mechanismus erklärt nun, wie eigentlich masselose Kraftteilchen durch Wechselwirkung mit dem Higgsfeld eine Masse erhalten können. Weiter gelingt so die Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung, da beide auf nur eine, grundlegende "elektroschwache" Wechselwirkung mit (ursprünglich) lauter masselosen Kraftteilchen zurückgeführt werden können. Da viele spezielle Eigenschaften einer solchen elektroschwachen Wechselwirkung sich experimentell sehr gut bestätigt haben, gilt das Standardmodell mit einem Higgs-Teilchen als durchaus gut abgesichert. Sollte das Higgs-Teilchen existieren, dann wird es mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit am LHC entdeckt werden! 21. Oktober 2008 LHC2008

Der Weg zur allumfassenden Theorie? Supersymmetrie Der Weg zur allumfassenden Theorie? Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien der Natur manifestieren. ( Vortrag Laurenz Widhalm) Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das sog. Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten. 21. Oktober 2008 LHC2008

Sie löst das Hierarchieproblem Supersymmetrie ist die attraktivste Erweiterung des Standardmodells (SM). Sie löst das Hierarchieproblem kann die elektromagnetische, schwache und starke Kraft vereinheitlichen ist die einzige nichttriviale Erweiterung der SM Gruppenstruktur Das LSP ist ein sehr guter Kandidat für die Dunkle Materie – mehr Details dazu im Vortrag von Robert Schöfbeck. Der zu zahlende Preis ist hoch, das Teilchenspektrum wird mehr als verdoppelt! 21. Oktober 2008 LHC2008

SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am LHC im CERN. 21. Oktober 2008 LHC2008

Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 21. Oktober 2008 LHC2008

Leptonen ne nm nt ne nm nt e- m- t- e+ m+ t+ 21. Oktober 2008 LHC2008

Quarks u c t u c t d s b d s b u c t u c t d s b d s b u c t u c t d s 21. Oktober 2008 LHC2008