Das Standard

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Quarks, Higgs und die Struktur des Vakuums
Univ. Prof. Dr. André Hoang
Was bewegt 700 Physiker, in Wien
zur größten Konferenz über Elementarteilchen des Jahres 2015 zusammenzukommen ? Quarks, Higgs und die Struktur des Vakuums
Quarks
Large-Hadron-Collider
Higgs-Boson
Antimaterie
Frühes Universum
Elektron
Quark-Gluon-Plasma
Standardmodell
Neue Physik
Extra Dimensionen
Quarks, Higgs und die Struktur des Vakuums
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Anfänge der Teilchenphysik
Standard-Modell und Higgs
Higgs-Suche am LHC
Was geht uns das Higgs an?
Prähistorie der Teilchenphysik
Experiment
Ernest Rutherford (1910)
Prähistorie der Teilchenphysik
Experiment
Ernest Rutherford (1910)
θ
Prähistorie der Teilchenphysik
Wasserstoff (H)
10-8 cm
Elektromagnetische Kraft (γ)
Theorie: Quantenmechanik
Prähistorie der Teilchenphysik
Helium (He)
2 Elektronen
2 Protonen
2 Neutronen
Elektromagnetische Kraft (γ)
Starke Kraft
Theorie: Quantenmechanik
Anfänge der Teilchenphysik
CERN copyright
Woher kommt radioaktive Strahlung ? Anfänge der Teilchenphysik
Victor Hess, 1912
Nobel-Preis, 1936
Entdeckung der kosmischen Höhenstrahlung
Schwache Kernkraft
Anfänge der Teilchenphysik
CERN copyright
Wilde Zeit der Teilchenphysik
„Teilchen-Zoo“ (1945 – 1960)
Wilde Zeit der Teilchenphysik
10-13 cm
Das Quark-Modell
<10-16 cm
10-13 cm
Mesonen und Baryonen sind gebundene Zustände von Quarks.
(Gell-Mann, Zweig, 1964) Nachweis der Quarks
Tief-inelastische Streuung
Von Elektronen und Protonen
Robert Hofstadter (1956)
Friedmann, Kendall, Taylor (1962)
Nobel-Preis 1990
θ
Das Standard-Modell
Das Standard-Modell
CERN copyright
Das Standard-Modell
Quarks
Das Standard-Modell
Das Standard-Modell
Leptonen
Das Standard-Modell
Das Standard-Modell
Elektro-magnetische Kraft
Austausch-Teilchen
Das Standard-Modell
Das Standard-Modell
Elektro-magnetische Kraft
Austausch-Teilchen
Starke Kraft
Das Standard-Modell
Das Standard-Modell
Elektro-magnetische Kraft
Austausch-Teilchen
Starke Kraft
Schwache Kraft
Das Standard-Modell
Das Standard-Modell
Elektro-magnetische Kraft
Starke Kraft
Schwache Kraft
Das Standard-Modell
Das Standard-Modell
Elektro-magnetische Kraft
Starke Kraft
Schwache Kraft
Das Standard-Modell
Das Standard-Modell
Elektro-magnetische Kraft
Starke Kraft
Schwache Kraft
Das Standard-Modell
Das Standard-Modell
Eich-Symmetrie:
Ψ(t,x) → eiα(t,x) Ψ(t,x)
Elektro-magnetische Kraft
Starke Kraft
Schwache Kraft
Austausch-Teilchen
Wechselkurse
Das Standard-Modell
Das Standard-Modell
Eich-Symmetrie:
Ψ(t,x) → eiα(t,x) Ψ(t,x)
Elektro-magnetische Kraft
Problem: Massen der Teilchen brechen Eichsymmetrie
Starke Kraft
Schwache Kraft
Das Standard-Modell
Higgs-Mechanismus
„Spannung“: V
Peter Higgs
Higgs-Mechanismus
Wie ein Teilchen Masse bekommt.
Masse des Teilchens
= (Kopplung ans Higgs) x V Buffet
Higgs-Mechanismus
Wie das Higgs ein Teilchen wird uns Masse bekommt.
Masse des Higgs
= (Kopplung an sich selbst) x V Buffet
Higgs-Mechanismus
„Spontane Symmetrie-Brechung”
„Spannung“
entspricht
Vakuumwert
V
Peter Higgs
V
Higgs-Mechanismus
„Spontane Symmetrie-Brechung”
„Spannung“
entspricht
Vakuumwert
V
Peter Higgs
V
Das Higgs-Feld
Elektrisches Feld zwischen einer positiven und einer negativen Ladung.
Das Higgs-Feld
(t) = e
iM t
Masse entspricht der Oszillationsfrequenz der Teilchenwellen.
Die Higgs-Feld hat keine Richtung.
Seine Feldstärke V entspricht der Federhärte. Das Standard-Modell
Eich-Symmetrie:
Ψ(t,x) → eiα(t,x) Ψ(t,x)
Elektro-magnetische Kraft
Spontane Symmetriebrechung:
Starke Kraft
Schwache Kraft
Das Standard-Modell
Renormierbare Quanten-Feld-Theorie
Renormierbare Quanten-Feld-Theorie
Elementarteilchen-Prozesse können mit hoher Genauigkeit berechnet werden.
Higgs-Theorie
Erzeugung von Higgs-Teilchen
Wieviele sind zu erwarten?
Wie kann man das Higgs beobachten?
Aus dem Standard-Modell berechenbar
- Arbeit für Theoretiker - Higgs-Produktion
Proton
Higgs-Produktion
Erzeugungsraten
(Wirkungsquerschnitte)
Higgs-Produktion ist sehr selten !
Rate: 10-9
Higgs-Zerfall
Higgs-Zerfälle
(Zerfallskanäle)
Higgs-Zerfall
Higgs-Zerfälle
(Zerfallskanäle)
Lebensdauer:
Ca. 10-23 sec
Higgs-Teilchen nicht direkt sichtbar !
Higgs-Suche = Suche nach den Zerfallsprodukten
Higgs-Nachweis
Wie kann man das Higgs sehen, obwohl
es nicht direkt sichtbar ist?
(Arbeit für Experimentalphysiker) Higgs-Nachweis
Massenrekonstruktion
Energie-Einheit:
GeV (Elektron-Volt)
mProton = 1 GeV
✓
Eh
c2
◆2
✓
p~h
c
◆2
= m2h
Energie und Impuls sind Erhaltungsgrößen !
E1 + E2 + E3 + . . . = E h
~p1 + ~p2 + ~p3 + . . . = ~ph
h
Higgs-Nachweis
Invariante Massenverteilung
„Signal“
Higgs-Nachweis
Invariante Massenverteilung
„Signal“ (realistisch,
z.B. Messfehler) Higgs-Nachweis
Hintergrund-Prozesse:
2 jets
jet
jet
pp
qq H +X
Z Z
µ
e
e
µ
e+ e
µ+ µ
Higgs-Nachweis
Hintergrund-Prozesse:
2 jets
jet
jet
pp
qq ZZ + X
µ
e
e
µ
e+ e
µ+ µ
Higgs-Nachweis
Invariante Massenverteilung
„Hintergrund“
Higgs-Nachweis
Invariante Massenverteilung
„Signal“
+
„Hintergrund“
Higgs-Nachweis
Invariante Massenverteilung
„Signal“
+
„Hintergrund“
Higgs-Nachweis
Higgs → 4 Leptonen
Higgs-Nachweis
Higgs → 4 Leptonen
Higgs-Nachweis
Higgs → 4 Leptonen
mh = 126 GeV Higgs-Nachweis
Higgs-Verzweigungsverhältnisse
Higgs-Nachweis
Higgs-Verzweigungsverhältnisse
µ=1.30±0.20
µ=0.80±0.14
Large Hadron Collider
Francois Englert & Peter Higgs
Nobel-Preis für Physik 2013
Dr. Bergauers Vortrag
Donnerstag 18:30 Uhr
Higgs-Boson Na und?
Was geht uns das Higgs-Teilchen an?
Was geht uns das Higgs-Teilchen an?
Nucleare Energie
Higgs-Energie
Nur 1% der Masse der Materie, aus der wir gemacht sind, kommt vom Higgs.
99% ist Kern-Energie.
Higgs und die Energieerzeugung der Sonne
Mw = 85.7 mProton
Das W-Boson hat vom Higgs-Boson genau
die richtige Masse, so dass die Fusion-
reaktionen in der Sonne mit der für unser Leben richtigen Intensität ablaufen. Higgs-Potential und unser Vakuum
Higgs-Potential
Energie
6
4
2
0.5
1.0
1.5
2.0
Higgs-Feldstärke
Wir leben hier
Higgs-Potential und unser Vakuum
Higgs-Potential
Energie
40
30
20
10
1
2
3
4
5
Higgs-Feldstärke
Wir leben hier
Higgs-Potential und unser Vakuum
Higgs-Potential
Energie
40
20
2
-20
-40
-60
-80
Wir leben hier
4
6
8
Higgs-Feldstärke
Higgs-Potential und unser Vakuum
Higgs-Potential
Energie
50
2
4
6
8
10
12
Higgs-Feldstärke
-50
-100
Wir leben hier
Falsches Vakuum
Wahres Vakuum
Higgs-Potential und unser Vakuum
Higgs-Potential und unser Vakuum
Quanten-Fluktuationen im Vakuum (Gluonfeld-Fluktuationen) Higgs-Potential und unser Vakuum
Higgs-Potential
Energie
50
2
4
6
8
10
12
Higgs-Feldstärke
-50
-100
Wir leben hier
Falsches Vakuum
Wahres Vakuum
Higgs-Potential und unser Vakuum
Higgs-Potential
Energie
50
2
4
6
8
10
12
Higgs-Feldstärke
-50
-100
Wir sind jetzt hier
Korrektes Vakuum
Higgs-Potential und unser Vakuum
Frühes Universum:
„symmetrische Phase“
400
300
200
100
2
4
6
8
-100
Wir sind jetzt hier:
„unsymmetrische Phase“
10
12
Die Vakuum-Stabilität und das Top-Quark
Top quark
Higgs
MHiggs = 133.3 mProton
mTop = 184.4 mProton
H
H
H
H
T
Die Masse des Top-Quarks hat einen starken
Einfluss auf Form des Higgs-Potentials.
H
H
H
H
Higgs-Potential und unser Vakuum
Lebensdauer „unseres“ Vakuums: 10100 Jahre
Aber die Blase könnte sich schon irgendwo geformt haben und auf dem Weg hierher sein.
Higgs-Boson im Frühen Universum
Möglicherweise hat das Higgs-Boson eine Rolle in der inflationären Phase unseres Universums gespielt.
Quarks, Higgs und die Struktur des Vakuums
Univ. Prof. Dr. André Hoang
Dank an alle Teilchenphysiker, deren
Arbeiten ich für den Inhalt dieses
Vortrages genutzt habe.
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