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Den Elementarteilchen auf der Spur
Ulrike Schnoor Masterclass im Schülerlabor HZDR, 6. Juli 2011 Ulrike Schnoor
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TEILCHENPHYSIK – Was fällt Euch dazu ein?
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Teilchenphysik … und jetzt zur Physik! Aufbau der Materie
Wechselwirkungen der Teilchen Eigenschaften der Elementarteilchen Experimentell: Untersuchung von Teilchen an Beschleunigern (LHC, DESY, … → Suche nach Higgs-Boson, ...) Theoretisch: Entwicklung neuer Theorien (Stringtheorie, „Weltformel“, Supersymmetrie, ...)
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Vom Atom zu den Quarks Aufbau der Materie
Atomkern → Protonen + Neutronen → Quarks Atom Hülle: Elektronen
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Größenvergleich Zum Vergleich: Menschliches Haar: 50 μm = 50 · 10-6 m
Wie klein sind die kleinsten Komponenten der Materie? Zum Vergleich: Menschliches Haar: 50 μm = 50 · 10-6 m Atom: 0.1 nm = m Scale of the Universe
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Standardmodell – Bausteine des Universums
= Fundamentale Bausteine der Materie + Kräfte zwischen den Teilchen Botenteilchen als Vermittler der Kräfte
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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 Achtung: Energieerhaltung!
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und weitere Quarks, Antiquarks und Gluonen
Aufbau des Protons Proton enthält up-Quarks und down-Quarks ... und weitere Quarks, Antiquarks und Gluonen
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4 fundamentale Wechselwirkungen
Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren die Kraft Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend Anziehend
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Was ist eine Ladung? Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens
Kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge (Elementarladung) vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren Farbladung: rot + grün + blau = weiß Elektrische Ladung
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Die elektromagnetische Kraft
Ladung: elektrische Ladung Q Arten: eine Ladungsart: „Zahl“, positiv oder negativ Botenteilchen: Photon Eigenschaften: elektrisch neutral: Q= masselos : m=0 Besonderheiten: Unendliche Reichweite Makroskopisch beobachtbar Teilchen Elektron up-Quark down-Quark Neutrino Ladung -1 +2/3 -1/3
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Die schwache Kraft Ladung: schwache Ladung (hier: I3)
Arten: 1 Ladungsart Botenteilchen: W-, Z0, W+ Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I3 = -1, 0, Masse: m = 80 bzw. 90 GeV Teilchen Elektron up-Quark down-Quark Neutrino I3 -1/2 +1/2
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Die starke Kraft Ladung: Farbladung/ starke Ladung
Arten: 3 Ladungsarten; Farbe und Antifarbe Botenteilchen: 8 Gluonen Eigenschaften: tragen selbst je eine Farbe und eine Antifarbe masselos : m=0 Besonderheiten: Endliche Reichweite ca. 1 fm Halten Hadronen zusammen Makroskopisch nicht beobachtbar, außer im Radioaktiven α-Zerfall rot + grün + blau = weiß
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u d u d u d Die starke Kraft
Alle Quark Sorten kommen in 3 verschiedenen Versionen vor: u d up down u d u d rot + grün + blau = weiß Quarks verbinden sich, um „farblose/weiße“ Teilchen zu bilden Baryonen: rot + grün + blau = weiß Mesonen: Farbe + Antifarbe = weiß
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4 fundamentale Wechselwirkungen
Schwache Kraft - β-Zerfall - pp-Fusion Schwache Ladung W+, W-, Z0 Elektromagnetismus - TV, PCs - Magnete - e- e+ Erzeugung Elektrische Ladung Photon Gravitation (Schwerkraft) - Erdanziehung Masse Starke Kraft - Quark-Bindung Farbladung Gluonen
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W+ W- W-Zerfälle Das W-Teilchen ist nicht stabil e+ μ+ q e- μ- q
Es wandelt sich nach 3 · s in andere Teilchen um e+ μ+ q e- μ- q W+ W- νe νμ q νe νμ q
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… soweit zur Theorie. Aber wie arbeiten nun die Teilchenphysiker?
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Prinzip: Teilchenphysik = Hochenergiephysik
𝛥𝑥𝛥𝑝≥ℏ/2 Δx Heisenberg'sche Unschärferelation 𝐸=𝑚𝑐² Einstein (Relativitätstheorie)
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Teilchenbeschleuniger = Mikroskope für Teilchen
Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor) „Auflösungsvermögen“ : Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Projektilgröße << Größe der Strukturen >0,15µm Treffgenauigkeit: 0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV 200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV 0,2 µm bei E = 1 eV
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Wurfgeschoss: Basketbälle
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Wurfgeschoss: Tennisbälle
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Wurfgeschoss: Murmeln
Nichts wie weg!
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Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?
Linearbeschleuniger Ringbeschleuniger Vorteil: keine Synchrotronstrahlung Vorteil: Teilchen können mehrfach genutzt werden
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Beschleuniger – Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN
Protonen, Schwerpunktsenergie 7 TeV Protonen kreisen 11000mal pro Sekunde durch den Ring In Betrieb seit 2010 Betriebstemperatur: 1.9 K (Universum 2.7 K Hintergrundstrahlung)
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Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren
Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten
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Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs
LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ * Lichtgeschwindigkeit Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser
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ATLAS-Detektor am LHC Größter Detektor am LHC (25 m Durchmesser, 45 m lang) Aufgaben: Suche nach dem Higgs, Supersymmetrie, Extra-Dimensionen, etc. 3000 Physiker aus 38 Ländern von 174 Universitäten forschen in der ATLAS-Kollaboration
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Zusammenfassung Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren sowie die Bildung von Hadronjets aus Quarks
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Specials: Higgs, Dunkle Materie, Neutrinos
Was kommt nach dem Standardmodell?
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Higgs-Mechanismus Erklärung für die Masse der Elementarteilchen:
Kopplung an allgegenwärtiges Higgs-Feld Anregung des Higgs-Feldes → Existenz eines Teilchens: Higgs-Boson Theorie wurde eingeführt von Peter Higgs Bestätigung durch Fund des Higgs-Bosons möglich
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Dunkle Materie / Dunkle Energie
Diskrepanz zwischen beobachteter und erwarteter Rotationsgeschwindigkeit der Sterne in unserer Galaxie → Erklärung mit Hilfe von dunkler (nicht sichtbarer) Materie
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Das Neutrino 1914 Chadwick b-Zerfall: n p + e-
Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino ν Elektrisch neutraler Partner des Elektrons sehr leicht erst für masselos gehalten Es befinden sich in jedem von uns ungefähr 30 Mio. Neutrinos vom Urknall. schwach wechselwirkend: von schaffen Erddurchquerung
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