Das magnetische Moment der Leptonen

Präsentation zum Thema: "Das magnetische Moment der Leptonen"—  Präsentation transkript:

1 Experimentelle Bausteine des Standardmodells und weitere Fragestellungen

2 Das magnetische Moment der Leptonen
Die Dirac-Gleichung in ihrer einfachsten Form sagt für das magnetische Moment der geladenen Leptonen (messbar bei Elektron und Myon) einen bestimmten Wert vorher, der im Allgemeinen durch den Wert g=2 eines Vorfaktors g ausgedrückt wird. Durch weitergehende Korrekturterme (vor allem Vakuumpolaristion) wird dieser Wert leicht modifiziert. Dieser Wert kann sowohl gut berechnet werden, als auch gut gemessen werden, in dem man die Teilchen sehr lange in einem Magnetfeld präzessieren lässt. Diese sogenannten “g-2 Experimente” ergeben eine eindrucksvolle Bestätigung des Standardmodells.

3 g-2 Myon-Experiment am BNL (Brookhaven, USA)

4 Teilchenphysik und Kosmologie: Der Urknall
Das frühe Universum Der Beginn unseres Universums ist durch einen Zustand hoher Energiedichte charakterisiert. Unmittelbar nach dem Urknall liegt die Energie pro Teilchen in der Größenordnung der Planck-Energie, 1019 GeV (“Gigaelektronenvolt”, wird später definiert), bei der alle vier Wechselwirkungen vereinigt sind. Darauf folgt eine Phase der Expansion, die mit einer Abkühlung ( Verringerung der Energiedichte ) einhergeht. Bei t = Sekundennach dem Urknall bzw. bei einer Energie von 1016 GeV spaltet sich die starke Wechselwirkung ab. Bei t = s bzw. 102 GeV wird die elektro-schwache Symmetrie gebrochen, und die elektro-magnetische und die schwache Wechselwirkung entstehen. Viel später erst, bei t = 3 Minuten ist das Universum auf 0,1 MeV abkühlt und leichte Atomkerne können sich bilden. Atome, die Bausteine unserer Materie, entstehen erst nach 105 Jahren. Um die Phänomene am Beginn unseres Universums zu verstehen, müssen also verschiedene Bereiche der Physik herangezogen werden -- in der Reihenfolge: die Teilchenphysik, die Kernphysik und letztlich die Atomphysik. Die Teilchenphysik gestattet die Vorgänge in der allerersten Phase zu verstehen. Umgekehrt haben kosmologische Befunde, die diesen Zeitabschnitt betreffen, direkte Implikationen für die Teilchenphysik.

5 Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik:
Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie? Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie? Woher kommt die Dunkle Energie?  Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik des ganz Kleinen geben – die Elementarteilchenphysik * Mehr Materie als Anti-Materie Eine dieser Fragen, die von der Kosmologie aufgeworfen wird, ist der Überschuss von Materie im Universum. Die Verletzung der CP-Symmetrie durch die schwache Wechselwirkung dürfte wichtig für die Erklärung dieser Beobachtung sein, obwohl die CP-Verletzung im Standard-Modell die beobachtete Baryondichte nicht erklären kann. * Dunkle Materie und dunkle Energie Die Masse des Universums, die aus der Messung der Gravitation bestimmt wird, ist wesentlich höher als die Masse der Sterne und aller bekannten Materie. Die Differenz ist die "dunkle Materie", die vollkommen ungeklärten Ursprungs ist und ebenfalls Hinweise auf Physik jenseits des Standard-Modells liefert. Auch die Energiedichte des Universums ( wie sie sich aus den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ergibt ) kann nicht durch bekannte Quellen erklärt werden, und man spricht in diesem Zusammenhang von der "dunklen Energie".

6 Die Verletzung der Parität
Experiment von C.S.Wu Betazerfall von Kobalt-60 die gespiegelte Welt unterscheidet sich von der wirklichen Längere Zeit hindurch hatte man allgemein erwartet, dass unsere Welt spiegelsymmetrisch wäre. Tatsächlich war das jedoch nicht allgemein (nämlich nicht für die “Schwache Wechselwirkung”) bestätigt worden, worauf Mitte der fünfziger Jahre Lee und Yang hinwiesen. Daraufhin führte C.S.Wu ein Experiment durch, dass die Verletzung der Parität eindeutig aufzeigte.

7 CP-Verletzung: das erste Experiment
Nach Entdeckung der Paritätsverletzung nahm man an, dass vielleicht zumindest Symmetrie unter dem Produkt von Parität (P) und Ladungskonjugation (C) bestehe zeigte ein Experiment mit neutralen K-Mesonen (Kaonen), dass auch diese kombinierte Operation CP zu einer Symmetriebrechung (Verletzung eines vermeintlichen Erhaltungssatzes) führte. Bald stellte sich heraus (Sakharov), dass diese CP-Verletzung für die Existenz unserer Welt von großer Bedeutung ist - ohne sie hätten sich Materie und Antimaterie längst gegenseitig vernichtet. Christenson, Cronin, Fitch und Turlay: Brookhaven 1964 Nobelpreis 1980

8 Aufbau des Experimentes NA48 am CERN zur Messung der “direkten” CP-Verletzung
Zur genaueren Klärung der Ursache der CP-Verletzung wurde über Jahrzehnte hinweg immer genauere Experimente durchgeführt. Der Wirkungsmechanismus wurde mit dem Nachweis der sogenannten “direkten CP-Verletzung” aufgeklärt.

9 Zuletzt gefunden: das Top-Quark
Der letzte Baustein des Quarkmodells mit 3 Generationen war das Top-Quark, das auf Grund seiner unerwartet großen Masse - es ist 180 Mal schwerer als das Proton - erst 1995 experimentell nachgewiesen werden konnte.

10 Das Top-Quark

11 Während im ursprünglichen Standardmodells die Neutrinos als masselos galten, haben verschiedene Experimente in den letzten Jahren eindeutig ergeben, dass sie eine - allerdings sehr geringe - Masse haben müssen. Das Experiment KamLAND, dessen Resultate im Bild zu sehen sind, nutzt Neutrinos von einer Reihe umliegender Kernreaktoren.

12 Der Neutrino-Detektor Superkamiokande (Japan)
Der riesige unterirdische Wasser-Cherenkov-Detektor des japanischen Experimentes Superkamiokande hat eindeutig gezeigt, dass sich Neutrinos verschiedener “Generationen” ineinander verwandeln können. Das ist nur dann erklärbar, wenn diese Neutrinos eine geringe Masse haben. Ein weiteres Ziel des Experimentes war, den Zerfall des Protons nachzuweisen. Dies ist noch nicht geglückt, es wird aber aus theoretischen Gründen angenommen, dass das Proton zwar äußerst langlebig ist, schließlich aber doch zerfällt. Der Neutrino-Detektor Superkamiokande (Japan)

13 Das Higgs-Boson Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Dennoch wurde das Standardmodell in vielen Präzisionsmessungen hervorragend bestätigt. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. die Massen 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) Das Higgs-Teilchen ist das letzte Teilchen, das im Rahmen des Standardmodells eindeutig vorhergesagt wird. Wenn es nicht existieren sollte, so würde dies zu einer grundlegenden Veränderung der Theorie führen.

14 (inspired by Prof. Miller / University College London)
Das Higgs-Boson Standardmodell „funktioniert“ nur mit ursprünglich masselosen Teilchen! Masse entsteht erst durch die Wechselwirkung mit einem (hypothetischen) Higgs-Feld Durch spontane Symmetriebrechung ist das gesamte Universum von diesem Higgs-Feld durchdrungen „Schwingungen“ in diesem Higgs-Feld erscheinen als Higgs-Teilchen, deren Nachweis am LHC / CERN in einigen Jahren gelingen soll Higgs Cartoon (inspired by Prof. Miller / University College London) Spontane Symmetriebrechung heißes Universum (kurz nach Urknall) Energie Teilchen sind masselos die Massen der Fundamentalteilchen folgen nicht aus dem Standardmodell, sondern müssen als Parameter „händisch“ eingefügt werden dabei ist aber die Masse keine vorgegebene Eigenschaft der Teilchen, sondern ergibt sich erst durch den sog. Higgs-Mechanismus – ohne diesem Mechanismus wären alle Teilchen masselos! die Masse entsteht durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld  Cartoon: Je nach „Gewichtigkeit“ einer berühmten Person wird sie durch die Aufmerksamkeit der anwesenden anderen Gäste (dem „Higgs-Feld“) mehr oder weniger stark am Fortkommen gehindert  Trägheit (= Masse) entsteht. dieser Mechanismus erfordert natürlich die allgegenwärtige Existenz eines Higgs-Felds im ganzen Universum – würde es an irgendeiner Stelle fehlen, wäre jede Materie dort plötzlich masselos! Die Entstehung eines solchen Feldes wird durch den Effekt der „spontanen Symmetriebrechung“ erklärt – einer Art Phasenübergang von einem symmetrischen in einen asymmetrischen Zustand, ähnlich der spontanen Magnetisierung (Ausrichtung der Elementarmagnete) unterhalb einer kritischen Temperatur. Die „Richtung“, in die sich dabei das Higgsfeld ausrichtet ist dabei durch die Theorie nicht vorgegeben – aber irgendeine Richtung „setzt sich durch“, und bricht damit (spontan) eine Symmetrie der zugrundeliegenden Theorie. Der Wert des Higgsfeldes am erreichten (lokalen) Minimum heisst „Vakuumerwartungswert v“, alle Teilchenmassen sind proportional zu diesem v. Ein allgegenwärtiges Feld kann man nur nachweisen, indem man es in Schwingungen versetzt – diese Schwingungen entsprechen dann den Higgs-Quanten, die man bei den momentan in Bau befindlichen Experimenten am neuen Beschleuniger LHC des CERN in einigen Jahren nachweisen will. Ein Nachweis des Higgs-Teilchens wäre ein wichtiges Puzzlestück in dem so überaus bewährtem Standardmodell – trotzdem bleiben einige Fragen (woraus besteht die dunkle Materie, warum gibt es drei Generationen von Teilchen, u.s.w.) offen. Die Antworten können nur durch Einbettung des Standardmodells in eine größere, erweiterte Theorie, wie z.B. die im Anschluss kurz besprochene Supersymmetrie, gegeben werden. kaltes Universum (kondensiert in einen asymmetrischen Zustand mit Higgsfeld) Teilchen haben nun Masse Higgsfeld v

15 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. 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 Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten. Bestimmte Transformationen müssen die Form der Naturgesetze unverändert lassen. Auch bei Spiegelung und Farbänderung bleibt die Monroe immer die Monroe. Jede Symmetrieeigenschaft hat einen Erhaltungssatz zur Folge (Mathematikerin Emmy Noether 1918). Ein Bespiel ist der Neutronzerfall in ein Proton, Elektron und Antielektron-Neutrino: Energieerhaltung: mn > mp + me ( u > u u) Impuls- und Drehimpulserhaltung (führte zur Entdeckung des Elektronneutrinos) Erhaltung der elektrischen Ladung: 0 = +1 – 1 + 0 Erhaltung der Baryonzahl: +1 = Erhaltung der Leptonzahl: 0 =

16 SUSY Bosonen Fermionen
zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchen sollte es ein supersymmetrisches Partnerteilchen geben In einer supersymmetrischen Theorie treten Fermionen und Bosonen immer paarweise auf. Wenn die Natur wirklich supersymmetrisch ist, muß es daher zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchen ein supersymmetrisches Partnerteilchen geben. Hinweise für Experten: Streng genommen existiert nicht zu jedem Standardmodell-Teilchen ein supersymmetrischer Partner, sondern zu jedem Freiheitsgrad des Standardmodells ein Partnerfreiheitsgrad. Im Standardmodell gibt es nur ein ungeladenes physikalisches Higgs boson. In supersymmetrischen Theorien existieren mehr Higgs-Bosonen. Z.B. im einfachsten Modell, MSSM (Minimal Supersymmetric Extension of the Standard Model) genannt, gibt es fünf Higgs-Bosonen, drei ungeladene und zwei geladene. SUSY Teilchenspektrum. Grün: bekannte Teilchen des Standardmodells. Rot: gesuchte neue Teilchen.

17 SUSY-Teilchen im Experiment
SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Oben im linken Bild sieht man die schematische Darstellung von Produktion und Zerfall von SUSY Teilchen am LHC. Es kollidieren frontal zwei Protonen mit anähernd Lichtgeschwindigkeit und erzeugen ein Gluino und ein Squark. Das Gluino zerfällt dann in ein Squark und ein Quark, u.s.w.. Dieser sogenannte Kaskadenzerfall endet in zwei Quarks, ein Elektron, ein Antielektron-Neutrino und ein stabiles supersymmetrisches ungeladenes Teilchen mit dem Namen Neutralino. Dieses ist der attraktivste Anwärter für die “Dunkle Materie”. Das produzierte Squark durchläuft ebenfalls einen Kaskadenzerfall mit einem Quark, einem Müon, einem Antimüon und wiederum einem Neutralino als Endprodukte. Rechts sieht man die Simulation der entsprechenden Signatur für den CMS Detektor. Die zwei vom Gluino kommenden Quarks bilden einen “jet”(*), das vom Squark stammende einen zweiten. (*) Ein “jet” besteht aus einer großen Anzahl einzelner Teilchen, die sich in ungefähr gleicher Richtung bewegen ( im obigen Bild rot dargestellt), und entsteht, weil Quarks nicht einzeln existieren können (“confinement”) und deswegen mit aus dem Vakuum entstehenden Quark-Antiquark-Paaren gebundene Zustände (Baryionen, Mesonen) bilden. Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am Tevatron in den USA, am LHC im CERN und am geplanten e+ e- Linear Collider.

18 LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, USA)
Messung von Gravitationswellen Die Gravitation ist eine so schwache Wechselwirkung, dass das sie vermittelnde Teilchen, das “Graviton”, noch nicht gefunden werden konnte. Man hofft, Gravitonen und Gravitationswellen im Kosmos zu beobachten (z.B. von Supernova-Explosionen). Durch die Schwäche des erwarteten Effektes und unvermeidliche störende Umwelteinflüsse sind dazu große, hochpräzise Schwingungsdetektoren nötig. LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, USA)

19 Aktuelle Fragen der Teilchenphysik
(die zur Zeit experimentell untersucht werden) • Wie bekommen die Teilchen eine Masse? (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen?) Warum sind diese Massen so unterschiedlich? • Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie (SUSY)  ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen. Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums? • Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? • Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse? • Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich der Gravitation? • Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …)