Wie erzeuge ich einen Mini-Urknall? Sebastian Frank Für Neugierige von 10 bis 14 Jahren

Vom Allergrößten zum Allerkleinsten (und zurück) Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Unsere Alltagswelt Unsere vertraute Welt Größenordnung: 1 mm – 1 km Kräfte im Alltag: Gravitation („Schwerkraft“) Elektromagnetismus (Licht!) Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Der Nachthimmel Im Nachthimmel sehen wir viele weitere Welten Blick in die Ferne = Blick in die Vergangenheit Warum? Licht ist nicht unendlich schnell! Licht von fernen Objekten braucht Zeit, um zu uns zu gelangen Wie sehen Objekte so, wie sie früher ausgesehen haben (Zeitmaschine!) Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Die Sonne Mittlere Entfernung: 1,49 × 100.000.000.000 m = 1,49 × 1011 m Distanz entspricht 8,3 Lichtminuten Wir sehen Sonne, wie sie vor rund 8 Minuten war (Vergangenheit) Erde Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Alpha Centauri Nächstgelegene Sternsystem Doppelsternsystem Entfernung: 4,1 × 1016 m Distanz entspricht 4,3 Lichtjahre Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Andromeda-Galaxie (M31) Nachbargalaxie Typ: Spiralgalaxie Entfernung: 2,4 × 1022 m  2,5 × 106 Lichtjahre Mit bloßem Auge sichtbar! 1022 m = 10.000.000.000.000.000.000.000 m Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Am Rande des sichtbaren Universums Bild zeigt die am weitesten entfernten Galaxien Entfernung: 13 × 109 Lichtjahre  1,2 × 1026 m Alter des Universums: 13,7 Milliarden Jahre Bild zeigt 700 Millionen Jahre junges Universum! Aber wie ist unser Universum entstanden? Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Der Urknall Vor 13,7 Milliarden Jahren wurde das Universum geboren! Entstehung von Materie, Raum und Zeit Am Anfang gab es eine Menge verschiedener Elementarteilchen (nicht weiter zerlegbare Teilchen) Diese Teilchen waren frei und noch nicht in Materie eingesperrt Diese Zeit werden wir nun nachspielen! Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Spielregeln I e- ne Ich komme mit einem Kübel voller Teilchen zu euch, jeder sucht sich ein Teilchen aus Jeder bleibt dabei ruhig an seinem Platz sitzen Jeder sieht sich sein Teilchen gut an und versucht es sich zu merken (Buchstabe, Symbol) g u d g u W+ Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Spielregeln II e- ne Zu Beginn waren alle Teilchen „am Leben“ und frei Wer „am Leben“ ist, hält das Teilchen weiter in der Hand Teilchen können aber „aussterben“ Wer „stirbt“, gibt das „ausgestorbene“ Teilchen zurück in den Kübel Nicht vergessen, die Teilchen sind nur ausgeborgt! g u d g u W+ Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Der Urknall und die Elementarteilchen Zu Beginn war Universum extrem heiß und extrem dicht Dadurch entstanden eine Menge verschiedenster Elementarteilchen Diese Teilchen flogen wild umher und bewegten sich frei g g ne u d 1027 °C = 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000 °C Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Der Urknall und die Elementarteilchen Universum dehnt sich aus und kühlt sich dabei ab Je kälter es wird, desto langsamer bewegen sich die Teilchen Für manche Teilchen ist es bereits zu kalt, sie „sterben aus“! g g ne u d 1025 °C = 10.000.000.000.000.000.000.000.000 °C Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen verschwinden … Als erstes „stirbt“ das schwere Higgs-Teilchen aus (wir Physiker glauben fest daran, daß es das Teilchen gibt!) H Wer dieser Teilchen hat, muss es nun in den Kübel zurückgeben! 1016 °C = 10.000.000.000.000.000 °C Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen verschwinden … Weiters „sterben“ nun die folgenden Teilchen aus: das „t“ Quark das „b“ Quark das „τ“ Lepton das „τ“ Neutrino Es verschwinden dabei auch die jeweiligen Antiteilchen! (die mit den Strich/Plus) Antiteilchen = „Zwillingsbruder“ eines Teilchens t t t t- t t t t+ b b b nt b b b nt 1015 °C = 1.000.000.000.000.000 °C Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen verschwinden … Nun „sterben“ noch diese Teilchen aus: das „c“ Quark das „s“ Quark das „μ“ Lepton das „μ“ Neutrino Es verschwinden wie immer dabei auch die jeweiligen Antiteilchen! c c c m- c c c m+ s s s nm s s s nm 1014 °C = 100.000.000.000.000 °C Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen verschwinden … Ganz zum Schluß verschwinden noch die restlichen Antiteilchen: das „u“ Anti-Quark das „d“ Anti-Quark das „e“ Anti-Lepton das „e“ Anti-Neutrino Wann ist das alles passiert? Wie lang hat all dies gedauert? Alles geschah in allererster Sekunde nach dem Urknall! Welche Teilchen sind nun übrig? Haltet die Teilchen mal hoch! u u u e+ d d d ne 1011 °C = 100.000.000.000 °C Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die restlichen Elementarteilchen Materieteilchen: „up“ und „down“ Quarks in allen Farben Elektron e- Elektron-Neutrino ne Kraftteilchen: Photon („Lichtteilchen”) g W- und Z-Teilchen 8 farbige Gluonen („Klebeteilchen“) Elementarteilchen, kommt zu mir nach vorne! u u u d d d e- ne g W+ Z0 W- g g Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die restlichen Elementarteilchen Mit diesen Teilchen bauen wir nun unsere alltägliche Welt auf! Dazu brauchen wir zuerst: „up“ und „down“ Quarks Elektron e- Photon g Gluonen Die anderen Teilchen brauchen wir später! u u d e- g g g g Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Das Proton Wichtigster Teil eines Atomkerns Besteht aus zwei „up“ & einem „down“ Quark Wichtig! Farbe rot, grün & blau muß jeweils einmal vorkommen! Damit Quarks zusammenbleiben braucht man „starke Kraft“ (Kernkraft) via farbigen Gluonen P+ u u g g g d rot + grün + blau = weiß (Regenbogen!) Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

P+ Das Wasserstoffatom e- g Austausch eines Photons Gebundener Zustand dank Elektromagnetismus Gebt nun Teilchen des Atoms in den Kübel und setzt euch wieder hin! Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Größe eines Atoms 10-14 m 10-10 m < 10-18 m e- P+ 10-14 m 10-10 m = 0,0000000001 m Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Das Neutron Ebenfalls Teil des Atomkerns Besteht aus einem „up“ & zwei „down“ Quarks Farbe rot, grün & blau muß wieder jeweils einmal vorkommen! Ebenfalls wieder „starke Kraft“ (Kernkraft) via farbigen Gluonen nötig N0 u d g g g d rot + grün + blau = weiß Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Das Heliumatom e- 2 Protonen 2 Neutronen 2 Elektronen P+ N0 N0 P+ e- Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Das Periodensystem der Elemente Alle anderen Elemente entstehen durch Einbau von weiteren Teilchen im Atomkern und Elektronen in der Atomhülle Entstanden im frühen Universum, in den Sternen und bei Supernovas All diese Elemente bauen unser Universum auf! Aber was ist mit den übrig gebliebenen Elementarteilchen? Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

ne Die „schwache Kraft“ Restliche Elementarteilchen Elektron-Neutrino W- und Z-Teilchen kommen nicht in den Atomen vor! Dennoch sehr wichtig z.Bsp. für Kernfusion in der Sonne (dadurch brennt sie überhaupt!) ne Z0 W+ W- Gebt Teilchen zurück in den Kübel und setzt euch wieder hin! Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Das Standardmodell der Elementarteilchen Materie Antimaterie u c t u c t d s b d s b ne nm nt ne nm nt e- m- t- e+ m+ t+ Müonen existieren dennoch auch heute noch für sehr kurze Zeit in der kosmischen Höhenstrahlung! Sie werden in der Funkenkammer sichtbar gemacht! 1. Gen. 2. Gen. 3. Gen. 1. Gen. 2. Gen. 3. Gen. Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Kräfte Schwache Kraft W- u. Z-Teilchen Starke Kraft Gluonen Elektromagnetische Kraft Photon g g W+ g g g Z0 g g W- g g Extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften! (Muskelkraft vs Schwerkraft der Erde) Gravitation? Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Mit Lichtgeschwindigkeit zurück zu unserer Alltagswelt Elemente (=Atome) verbinden sich zu Molekülen Moleküle sind die Bestandteile von Zellen Zellen bauen alles Lebende auf: Pflanzen Tiere Menschen! Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Wie kann man Elementarteilchen erforschen? … mit dem Mikroskop? NEIN Auflösung des Mikroskops viel zu gering! Außerdem: die interessanten Elementarteilchen sind ja „ausgestorben“! … mit einem Teilchenbeschleuniger? JA Dadurch kann man Teilchen wieder „zum Leben erwecken“ und genauestens studieren! Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Geladene Teilchen (z.Bsp. Protonen) werden auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt Dadurch erhalten Teilchen extrem hohe Energien Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Bringt man diese Teilchen frontal zur Kollision, geben sie ihre Energie wieder frei Es entstehen kurzfristig wieder extrem heiße Zustände wie kurz nach dem Urknall („Mini-Urknall“) Dadurch entstehen wieder Elementarteilchen, welche zuvor „ausgestorben“ sind! b t b H b t t t- H t t+ nt nt Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Dunkle Materie? SUSY Teilchen? … Es entstehen sogar neue, noch ganz unbekannte Teilchen! Durch neue Teilchen erfahren wir mehr über den Aufbau unseres Universums! Diese neuen Teilchen kann man in riesigen Detektoren untersuchen … ? Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Der Large Hadron Collider Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum

Die Elementarteilchen und das Universum Sebastian Frank Die Elementarteilchen und das Universum