Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen u g u g g d Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Sebastian Frank Für Neugierige von 15 bis 18 Jahren

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Übersicht Was ist ein Elementarteilchen? Elementar: Bis heute keine Zusammensetzung aus noch kleineren Teilchen gefunden (Atom nicht elementar!) Quantentheorie: Materie- und Kräfteteilchen haben sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter „Welle-Teilchen Dualismus“ Beispiele: e- Elektron g Photon Lichtteilchen Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Übersicht Thomson (1897) e- Das Elektron Masse: 0,511 MeV = 9,1 10-31 kg Ladung: -1,6 10-19 C = -1e Elektronen bilden Atomhülle im Alltag: Leuchtschirme Beginn der modern-naturwissenschaftlichen Geschichte der Elementarteilchen mit Entdeckung des Elektrons als Teilchen durch Thomson Das Elektron ist bis heute ein elementares Teilchen, seine Ausdehnung liegt unterhalb jeder Messbarkei, es hat höchstens ein Millionstel der Größe eines Atoms klassisches Experiment: Messung der spezifischen Ladung; stellt sich als überraschend groß heraus  sehr kleine Masse des Elektrons im Vergleich zu den aus der Chemie bekannten Molekülmassen Analogie TV  Beschleuniger 1897 Fernseher = Beschleuniger Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Übersicht Das Photon  Planck Einstein Compton e- Masse: 0 (masselos) Ladung: 0 (neutral) „Photoelektrischer Effekt” Wichtiger Schritt Richtung Quantenmechanik Photon – das Lichtteilchen – wurde quasi „wieder entdeckt“: ursprünglich gab es Teilchen-Theorien des Lichts (Newton)‏ später wurden diese zugunsten der Wellentheorie aufgegeben, da nur so die Interferenz- und Beugungseffekte verstanden werden konnten Planck führte aber 1900 (widerwillig) die Idee einer „Quantisierung“ der Lichtenergie ein, um die Strahlung heißer Körper verstehen zu können Einstein verallgemeinerte diese Idee zum Postulat eines Lichtquants, genannt Photon, mit dem er den photoelektrischen Effekt erklären konnte (Nobelpreis)‏ Compton gelang der Nachweis, dass sich Photonen beim Zusammenstoß mit Elektronen tatsächlich wie Teilchen („Billiardkugeln“) verhalten Etablierung der Quantentheorie, wonach Wellen immer auch Teilcheneigenschaften besitzen, und umgekehrt (Dualismus)‏ 1900-1924 1897 Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Übersicht Rutherford Das Proton p e-  ist nicht elementar! Masse: 938,3 MeV = ca. 1836 me Ladung: +1e Vorkommen: Atomkern Suche nach dem „fehlenden“ Teilchen in Materie, das den Großteil der Masse trägt und positiv geladen sein muss, um die negative Ladung des Elektrons auszugleichen Modellvorstellung: Elektronen und hypothetische positive Teilchen gleichförmig in Materie verteilt klassisches Experiment von Rutherford: Beschuss einer Goldfolie mit - Teilchen (schwer, daher unbeeinflusst von Elektronen); überraschendes Ergebnis: Materie besteht großteils aus leerem Raum, positive Ladung und Hauptanteil der Masse in extrem kleinen Bereich konzentriert  Atomkern, Rutherford‘sches Atommodell positives Teilchen im Atomkern des Wasserstoffatoms wird als Proton bezeichnet 1914 1897 1900-1924 Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Das Atom Das Wasserstoffatom e- Gebundener Zustand dank Elektromagnetismus Photonaustausch g P+ Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Das Atom 10-14 m 10-10 m < 10-18 m e- e- P+ 10-14 m e- e- Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Der Atomkern Der Wasserstoffkern – das Proton besteht aus zwei „up-Quarks“ und einem „down-Quark“! P+ Elektrische Ladung 2/3 u u 2/3 d - 1/3 Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt! Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen? Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Kräfte Die starke Kraft (Kernkraft) 3 Farbladungen 8 Gluonen (Kraftteilchen) (Farbe dient hier nur als anschauliches Analogon) d u g Messbare Objekte sind farbneutral! Es existieren somit keine freien Quarks (Physik-Nobelpreis 2004) Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Zwillingspartner Antiteilchen: Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen, aber umgekehrte Ladung e- e+ Elektron Positron u u up anti-up Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Zusammengesetze Teilchen 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, …) Baryonen Hadronen - Mesonen Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Zusammengesetze Teilchen Das Neutron besteht aus einem up Quark und zwei down Quarks d u P+ 2/3 - 1/3 - 1/3 u d + ? Es gibt Umwandlung von „up“- nach „down“-Quark … 2/3 = -1/3 + 1 Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Kernfusion & schwache Kraft Die schwache Kraft Im Zentrum der Sonne wird Wasserstoff (= Proton) 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 (Proton + Neutron). 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 Proton d u Neutron e+ ne W+ 25‘ Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Kernfusion in der Sonne Elementarteilchen: Kernfusion & schwache Kraft Kernfusion in der Sonne Proton-Proton-Reaktion 1H+ + 1H+ → 2H+ + e+ + ne + 0,42 MeV ne ne Wegen schwacher Kraft passiert diese Reaktion sehr selten (nur alle 10 Milliarden Jahre!). Durch große Anzahl von Protonen im Sterninneren geschieht dies jedoch häufig genug. Nach nur ca. 1,4 Sekunden: 2H+ + 1H+ → 3He2+ + g + 5,49 MeV g g 3He2+ +3He2+ → 4He2+ + 1H+ + 1H+ + 12,86 MeV Dank der schwachen Kraft ist unsere Sonne so „langlebig“! g ne Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Schwache Kraft Es gibt 3 Vermittlerteilchen der schwachen Kraft: W+ Sie sind sehr schwer (80 u. 91 GeV) und wurden daher erst sehr spät entdeckt (1983 im CERN am SPS Ring) (Nobelpreis 1984 an S. van der Meer und C. Rubbia) Z0 W- Was gibt es noch für Teilchen? … Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Übersicht Das Müon µ- Hess (1936) Anderson Neddermeyer Street, Stevenson Masse: 150,7 MeV Ladung: -1e Vorkommen: Höhenstrahlung e-  p n  mit Elektron, Proton und Neutron waren alle Teilchen gefunden, die zum Verständnis des Aufbaus der Materie benötigt wurden Kosmische Strahlung: 1912 vom Österreicher Viktor Hess entdeckt (1936 Nobelpreis)‏ überraschenderweise wurde trotzdem ein weiteres Teilchen in der kosmischen Strahlung entdeckt, das sich im wesentlichen wie ein schwereres Elektron verhält und als Myon bezeichnet wurde Das Myon passte überhaupt nicht ins Schema, „wozu brauchen wir das?“ die Existenz von Myonen auf der Erdoberfläche ist auch ein experimenteller Beweis der Relativitätstheorie (Zeitdilatation), da sie in den oberen Schichten der Atmosphäre erzeugt werden (durch kosmische hochenergetische Teilchen), und aufgrund ihrer Lebensdauer von nur ca. 2,2 Mikrosekunden selbst mit annähernd Lichtgeschwindigkeit nur einen guten halben Kilometer weit fliegen könnten, wenn ihre „Uhren“ aufgrund relativistischer Effekte nicht langsamer gingen Überleitung zur nächsten Slide: das Myon wurde ursprünglich fälschlich als das theoretisch vorhergesagte Pion identifiziert Instabil! (2 10-6 s) Nachweis: Funkenkammer! 1937 1897 1914 Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Teilchenzoo Dann wurden in rascher Folge viele Teilchen entdeckt: Charakteristika: Hohe Masse, kurze Lebensdauer Willis Lamb drückte in seiner Nobelpreis-Ansprache 1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus: e-  p n  „I have heard it said that the finder of a new elementary particle used to be rewarded by a Nobel Prize, but such a discovery now ought to be punished by a $10,000 fine.“ Lamb µ e+  Zu Beginn der 60er Jahre bis zu 200 Teilchen identifiziert! Eine wichtige Aufgabe war die Klassifizierung all dieser Teilchen, um die Ordnungsprinzipien und Regeln dahinter zu erkennen Analogie zur Chemie (Periodensystem): eine Vielzahl unterschiedlicher Elemente wurden auf vier Grundelemente (Proton, Neutron, Elektron, Gamma als Kraftteilchen) reduziert, aus denen alle Elemente aufgebaut sind. Es konnten sogar durch „Löcher“ im Periodensystem bisher nicht entdeckte Elemente vorhergesagt werden (auch ihre Eigenschaften!)  ebenso konnten in der Elementarteilchenphysik neue Teilchen aufgrund der gefundenen Ordnungsprinzipien vorhergesagt werden  K  1897 1914 1932 1947 1947-... Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Elementarteilchen: Lösung des Teilchenzoos Auflösung des Rätsels kam 1969: „Quantenchromodynamik“ (starke Kraft) e-  Alle neu gefunden, schweren Teilchen (Hadronen) bestehen aus Elementarteilchen, „Quarks“, welche eine Farbladung tragen p n d u  Dadurch kommt Ordnung in das Chaos, das Standardmodell der Elementarteilchenphysik entsteht … µ d u e+  Proton Zu Beginn der 60er Jahre bis zu 200 Teilchen identifiziert! Eine wichtige Aufgabe war die Klassifizierung all dieser Teilchen, um die Ordnungsprinzipien und Regeln dahinter zu erkennen Analogie zur Chemie (Periodensystem): eine Vielzahl unterschiedlicher Elemente wurden auf vier Grundelemente (Proton, Neutron, Elektron, Gamma als Kraftteilchen) reduziert, aus denen alle Elemente aufgebaut sind. Es konnten sogar durch „Löcher“ im Periodensystem bisher nicht entdeckte Elemente vorhergesagt werden (auch ihre Eigenschaften!)  ebenso konnten in der Elementarteilchenphysik neue Teilchen aufgrund der gefundenen Ordnungsprinzipien vorhergesagt werden  Neutron K  1897 1914 1932 1947 1947-... Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Das Standardmodell 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. Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Das Standardmodell Kräfte Starke Kraft Gluonen Schwache 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 Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Das Standardmodell Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es verleiht den anderen Teilchen überhaupt erst Masse! Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Der Theoretiker Peter Higgs vor dem ATLAS- Detektor, der „sein“ Higgs-Teilchen finden wird die Masse n der Fundamentalteilchen folgen nicht aus dem Standardmodell, sondern müssen als Parameter „händisch“ eingefügt werden dabei sind aber die Massen keine fundamentale Eigenschaft der Teilchen, sondern ergeben sich erst durch den sog. Higgs-Mechanismus – ohne diesem Mechanismus wären alle Teilchen masselos (eine Erläuterung des Higgs-Mechanismus folgt später in diesem Vortrag)‏ Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Erweiterungen des Standardmodells Das Higgs kann aber noch nicht alles sein … wird werden noch Unbekanntes entdecken müssen, da wir einiges noch nicht verstehen: Woraus besteht die Dunkle Materie und Dunkle Energie? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte? Gibt es eine allumfassende Symmetrie wie Supersymmetrie? Gibt es verborgene Extra Dimensionen? die Masse n der Fundamentalteilchen folgen nicht aus dem Standardmodell, sondern müssen als Parameter „händisch“ eingefügt werden dabei sind aber die Massen keine fundamentale Eigenschaft der Teilchen, sondern ergeben sich erst durch den sog. Higgs-Mechanismus – ohne diesem Mechanismus wären alle Teilchen masselos (eine Erläuterung des Higgs-Mechanismus folgt später in diesem Vortrag)‏ 10‘ Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Vom Mikroskop zum Beschleuniger Wie kann man Elementarteilchen erforschen? … mit dem Mikroskop? sichtbares Licht (380-750nm) Wellenlänge = Auflösung Wir brauchen viel stärke Auflösung! Jedoch: Kurze Wellenlänge = hohe Energie Mittels eines kleinen Elektronenbeschleunigers („Röntgenröhre“) werden solche hochenergetische, also kurzwellige Lichtsonden („Röntgenstrahlen“) hergestellt. Kommentar: Die Durchleuchtung eines Patienten in der Radiodiagnostik hat nichts mit der Röntgenbeugung etwa in den Materialwissenschaften zu tun. Bei Elektronenmikroskopen werden die beschleunigten Elektronen direkt auf das Target gelenkt. Erste Anwendung eines Teilchenbeschleunigers. Übersteigt die verfügbare Gesamtenergie bei einem Streuexperiment jedoch das Energie/Massenäquivalent eines bestimmten Teilchens, so können im Rahmen wichtiger Einschränkungen (etwa die Berücksichtigung des Erhaltungssatzes der Ladung) neue Teilchen entstehen, darunter auch die Mitglieder der bald nach dem Urknall ausgestorbenen zweiten und dritten Teilchenfamilien. Es entsteht also im Laboratorium eine Art „Miniurknall“ auf sehr kleinem Raum. Bisher haben wir nur vom Beschuss ruhenden Targets gesprochen. Will man dem Urknall besonders nahe kommen, so werden Sonde und Target gegenläufig beschleunigt, sodass es zu einem Frontalzusammenstoß kommt („Kollisionsmaschine“). Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen Vom Mikroskop zum Beschleuniger Wegen berühmter Formel E = mc2 (d.h. Energie entspricht Materie) können bei sehr hoher Energie neue Teilchen entstehen! Keine „passive“ Betrachtung von Materie mehr, sondern „aktive“ Erzeugung von Materieteilchen! Durch Beschleunigung von Teilchen auf hohe Energien und anschließender Kollision können wir neue, noch unbekannte Teilchen erzeugen und studieren! Mittels eines kleinen Elektronenbeschleunigers („Röntgenröhre“) werden solche hochenergetische, also kurzwellige Lichtsonden („Röntgenstrahlen“) hergestellt. Kommentar: Die Durchleuchtung eines Patienten in der Radiodiagnostik hat nichts mit der Röntgenbeugung etwa in den Materialwissenschaften zu tun. Bei Elektronenmikroskopen werden die beschleunigten Elektronen direkt auf das Target gelenkt. Erste Anwendung eines Teilchenbeschleunigers. Übersteigt die verfügbare Gesamtenergie bei einem Streuexperiment jedoch das Energie/Massenäquivalent eines bestimmten Teilchens, so können im Rahmen wichtiger Einschränkungen (etwa die Berücksichtigung des Erhaltungssatzes der Ladung) neue Teilchen entstehen, darunter auch die Mitglieder der bald nach dem Urknall ausgestorbenen zweiten und dritten Teilchenfamilien. Es entsteht also im Laboratorium eine Art „Miniurknall“ auf sehr kleinem Raum. Bisher haben wir nur vom Beschuss ruhenden Targets gesprochen. Will man dem Urknall besonders nahe kommen, so werden Sonde und Target gegenläufig beschleunigt, sodass es zu einem Frontalzusammenstoß kommt („Kollisionsmaschine“). „Mini-Urknall“ Sebastian Frank Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

Der Large Hadron Collider Beschleuniger Der Large Hadron Collider

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