teilchenphysik u und kosmologie

TEILCHENPHYSIK UND
U
KOSMOLOGIE
im 20. Jahrhundert
Rolf Lan
ndua
CERN
N
EINLEITU
UNG
In drei Vorträgen werden etwa
a 100 Jahre an Ideen, Theorien
und Experimenten
p
an
n Ihnen vorbeiziehen.
Über 50 Physik - Nobelpreise
Eine detaillierte,, allumfassende,, tieffgehende
g
Behandlung
g in diesem
Zeitraum ist etwas schwierig
Deshalb: ein breiter
Deshalb
b eite Überblick
Übe blick üb
be die wichtigsten
ber
ichtigsten Entdeckungen
Entdeck ngen
und die Zusammenhänge
Alles was iin d
All
der Ph
Physik
ik zu tun
t bleibt,
bl ibt
ist die sechste Stelle hinter dem Komma zu messen.
(Albert Michelson, 1894)
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts glau
ubten die meisten
Physiker, dass die gesamte Physik erforscht ist und durch die Mechanik,
Th
Thermodynamik,
d
ik und
d die
di M
Maxwell-Th
ll Th
h
heorie
i d
des El
Elektromagnetismus
kt
ti
vollständig beschrieben wird.
Ansprache an die ‘British Association for the
Advancement off Science’, 1900
Da es nun nichtss mehr Neues in der Physik zu
entdecken gibt, verbleibt
v
uns nur die Aufgabe,
alles noch präzisser zu messen (Lord Kelvin, 1900)
William Thomson
(Lord Kelvin)
Aber - Lord Kelvin
K
erwähnte auch zwei ‘kleine
Wolken’ am Horizont
H
der Physik:
1) Spektrum der
d Hohlraumstrahlung
2)) Michelson--Morleyy Experiment
p
1900
Universum = Sonnensystem un
nd die Milchstrasse
Niemand wusste wie unsere So
onne ihre Energie produziert
Nichts war über Atome, ihre Sttruktur, und Atomkerne bekannt
Es gab nur zwei ‘Felder’: Elektrromagnetismus und Gravitation
Niemand hatte die geringste Vorstellung
V
von den
unglaublichen Entdeckungen der nächsten 100 Jahre.
Kinetische
Gastheorie
Boltzmann
Maxwell
Teilchen
1895
1900
Brownsche
Bewegung
1905
Atom
1910
1920
1930
n
e+
Schwache
WW
Fermi
Theorie
Antimaterie
All
Allgemeine
i
Relativität
Höhenstrahlung
Quantenmechanik
Welle--Teilchen Dualismus
Welle
Spin/Fermion--Boson
Spin/Fermion
Beschleuniger
Yuk
kawa
π Aus
stausch
Wolken
Galaxien;
Ausdehnung des
U i
Universums
Zyklotron
Dunkle Materie
Kernfusion
π
τνe
Teilchenzoo
Higgs
νμ
1970
τ-
1980
d
s
c
STANDARD MODEL
b
Big Bang
Nukleosynthese
W Bosons
Kosmische
Hintergrundstrahlung
EW Vereinigung
GUT
SUSY
Superstrings
g
Z
3 Teilchenfamilien
Blasenkammer
e+e- Ring
Vieldrahtkammer
Strahlkühlung
Q
QCD
Farbladung
W
1990
Synchrotron
P, C, CP
Verletzung
QED
p-
u
1975
Detektor
Geiger
1940
1960
Technologien
Radio-Radio
aktivität
Photon
μ-
1950
Starke
WW
Spezielle
Relativität
Kern
p+
Universum
Felder
Elektromagnetismus
g
e-
Newton
Elektromagnetism
mus
Prozessrechner
p+p- Ring
Inflation
Inhomogenität der
Hintergrundstrahlung(C
OBE, WMAP)
Moderne
Detektoren
WWW
t
2000
2010
ντ
ν Masse
asse
Dunkle Energie
GRID
Kinetische
Gastheorie
Boltzmann
Maxwell
Teilchen
1895
1900
1
e-
1905
Atom
1910
1920
1930
n
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Elektromagnetismus
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Higgs
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1970
1975
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1980
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STANDARD MODEL
b
Wolken
Galaxien;
Ausdehnung des
U i
Universums
Zyklotron
Dunkle Materie
Synchrotron
Big Bang
Nukleosynthese
W Bosons
Kosmische
Hintergrundstrahlung
EW Vereinigung
GUT
SUSY
Superstrings
g
Z
3 Teilchenfamilien
Blasenkammer
e+e- Ring
Vieldrahtkammer
Strahlkühlung
Q
QCD
Farbladung
W
1990
Beschleuniger
Kernfusion
P, C, CP
Verletzung
QED
u
Yuk
kawa
π Aus
stausch
2
τ-
All
Allgemeine
i
Relativität
Höhenstrahlung
Fermi
Theorie
Antimaterie
π
νe
Detektor
Geiger
Quantenmechanik
Welle--Teilchen Dualismus
Welle
Spin/Fermion--Boson
Spin/Fermion
1940
p-
Starke
WW
Technologien
Radio-Radio
aktivität
Photon
μ-
1950
Schwache
WW
Spezielle
Relativität
Kern
p+
Universum
Felder
Brownsche
Bewegung
Newton
Elektromagnetism
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Prozessrechner
p+p- Ring
Inflation
Inhomogenität der
Hintergrundstrahlung(C
OBE, WMAP)
Moderne
Detektoren
WWW
t
2000
2010
ντ
ν Masse
asse
Dunkle Energie
GRID
1
TEILC
CHEN
e-
1897
Elektroden D+E : Elektrisches Feld
Spulen: Magnetfeld
e-
J.J. Thomson
Kathodenstrah
hlexperimente (~ TV)
e-
Kathodenstrahlen*
* sind Teilchen
mit spezifischem Ladungs-Massen-Verhältnis
L
*später 'Elektronen' gen
nannt
Sein ‘Rosinenkuchen'
Modell des Atoms
(1904)
Elektronen sind Teil
T
von “Atomen”
Atom
TEILC
CHEN
Robert Brown (1827) beobachtet die
Zitterbewegung von kleinen Russpartikeln
n in
wässriger Lösung
Albert Einstein (1905) erklärrt die Zitterbewegung
mit Hilfe der kinetischen Atomtheorie
Francois Perrin (1907) bestätigt Einstein's Formel
mittels präziser Messungen
Die Existenz von Atomen als physikalische
Realität war bewiese
en
1905
TEILC
CHEN
Kern
Ernest Rutherford (r) und Hans Geiger (l)
in Manchester
1911
Geiger und Ma
arsden schiessen “Alpha”-Teilchen auf Goldfolien
1 von 8000 Alp
pha-Teilchen wird rückwärts gestreut (> 90o)
Dies konnte niicht durch das “Rosinenkuchen”-Modell erklärt werden
Rutherford: Die gesamte Masse des Atoms ist in einem
e
winzigen Atomkern konzentriert
Grösse: Coulomb-Potential= kinetische Energie: < 27 ×10-15 m (korrekter Wert: 7.3)
Entdeckung de
es Atomkerns
TEILC
CHEN
Kern
1911
Eine Analogie mit dem
d
Sonnensystem:
Wenn der
d Atomkern
k
d G
di
die
Grösse
ö
d
der S
Sonne hä
hätte, wäre
ä die
di
Entfernung der Elektronen ca.
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decompressor
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1000 x grösser als die Entfernung Erde - Sonne
Atome sind
s
extrem ‘leer’
Kern
Rutherford-Modell
des “leeren” Atoms
NEUE PROBLEME:
?
Wie können Elektronen den Kern umkreisen
ohne Strahlu
ung auszusenden?
?
Woraus besteht der Atomkern?
TEILC
CHEN
1913
J. J. Balmer (1885) analysiert das Emissionsspektrum von Wasserstoff
Balmer’s
Balme
’s empi
empirische
ische
Formel:
Niels Bohr besucht Rutherford im Jahr 19
913
Anwendung
A
d
d
der Pl
Planck’schen
k’ h
Q
Quantenhy
t hypothese
th
im
i
Atom !
p
q
quantisiert ist:
• Wenn der Drehimpuls
dann
• Elektronen ‘strahlen’ nur bei Übergängen
chen n-Niveaus
• Photonen-Energie = Energiedifferenz zwisc
TEILC
CHEN
1923-1927
Es brauchte noch weitere 10 Jahre bevor man anfing, die mysteriösen
Regeln der atomaren
n Welt zu verstehen.
Teilchen haben
h
Welleneigenschaften
Louis de Broglie (1924)
*Diese
e Hypothese wurde 1927
durch die Beobachtung von Elektronenbeugung bestätigt (Davisson/Germer)
TEILC
CHEN
1923-1927
Unschärferelation
Wenn Teilchen auch Welleneigenschaften haben, dann
können Ort und Impuls nicht gleichzeitig präzise messbar sein.
Heisenberg (1925)
Ort-Impuls-Unschärfe:
Analogie:
Ein ‘reiner’ To
on der Frequenz f bekommt eine
‘Unschärfe’ Δf
Δ wenn er nur über das Zeitintervall Δt
erklingt (Fourier-Transformation):
Δf Δt ~ 1
Energie-Zeit-Unschärfe
e:
TEILC
CHEN
1923-1927
Wahrscheinlichsamplitu
ude
Wenn Teilchen auch Wellen
n sind -> Wellengleichung
Schrödinger
1926
Funktioniert prim
ma wenn
v << c
Welleninterferenz: ψ = komplexe Funktio
on
Interpretation (Born, 1927):
ψ = Wahrscheinlichkeitsamplitude
|ψ|2 = Wahrscheinlichkeit (das Teilchen
n
an diesem Ort anzutreffen)
Elektron-Wellenfunktionen im Wasserstoff
('3-dim stehende Wellen')
TEILC
CHEN
1928
Quantenphysik erklärt die Existtenz von ‘Struktur’ in der Natur
Chemische Bindungen reflektieren die Struktur der Orbitale
The water
molecule
Linus Pauling (1928)
1928: Atome, Moleküle, und der Grund für makroskopische Formen waren verstanden.
Aber was geschah im
i Atomkern?
Zwischen 1911- 1932 g
gab es ke
einen g
grossen Fortschritt.
n
TEILC
CHEN
Woraus besteht der Atomkern?
Beispiel: He-4
He 4 hat Kernladungszahl Z
Z=2
2; wie kann man A
A=4
4 erklären?
Heisenberg: Protonen und Elektrone
en im Kern (4 p + 2 e-) ?
Funktioniert nicht! Das würde der Unschärferelation widersprechen.
Chadwick (1932): Entdeckung des Neutrons
N
Kinematik: Masse des Neutrons ~ Masse des Protons
Was hält den Kern zusammen (gegen
n die Coulomb-Abstossung?) “Starke Wechselwirkung mit kurzer Reichweite” ?
1932
TEILC
CHEN
Das Standard-Modell (1932)
Einfach und leich
ht zu merken
Taucht oft in Schu
ulbüchern auf
(meist im Chemie
e-Unterricht)
2
Felder
1900
Was hält Atome und Kerne zusam
mmen?
1900: zwei fundamentale Kräfte waren bekannt ...
1
FG = G m1 m2 ⋅ 2
r
1
FC = Q1 Q2 ⋅ 2
r
Gravitation
Elektromagnetismus
Gemeinsamkeit: 1/r2 Gesetz
Unterschied: die Wechselwirkungskonstantten sind extrem verschieden
(36 Grössenordnungen
G össeno dn ngen für
fü zwei
z ei P
Protonen)
otonen)
Zur Erinnerung:
zwei Wolken am Horizont der Physik
k im Jahr 1900:
Wolke Nr.
Nr 1) Ho
ohlraumstrahlung
Wolke Nr. 2) Mic
chelson-Morley Experiment
William Thomson
(Lord Kelvin)
Die Lös
sung dieser Rätsel führte zur
- Quantentheorie
- Relativitätstheorie
Feld
der
Ph t
Photon
‘Elektromagnetismus’
g
Hohlraumstrahlung
Ein “Ho
ohlraum” absorbiert die einfallende
Strahlung völlig und sendet diese Energie
als therrmische Strahlung wieder aus:
“Hohlraumspektrum” = f(ν,T)
I(ν ) ~ ν 2 <E>
durchschnittliche Energie der
Oszillatoren
(proportional zur
Temperatur?)
Emissionsspektrum
Ok fü
ür ‘kleine’ Frequenzen (Jeans law)
Feld
der
‘Elektromagnetismus’
g
Ph t
Photon
Ein “A
Akt der Verzweiflung”
g
14 Dezember 1900
Die Oszillattoren (in der Wand des Hohlraums)
können nur ‘ Energiepakete’ aussenden ε = h ν
Höh
Höhere
F
Frequenzen entsprechen
t
h grösseren
ö
Energiepak
keten die bei ‘niedrigen’ Temperaturen
nicht wahrs
scheinlich sind
Durchschnittsenergie
der Oszillatoren
I(ν ) ~ ν
hν
2
e
Max Planck
hν
kT
−1
h = neue fundamentale
f d
t l Konstante
K
t t
Feld
der
Ph t
Photon
1902
‘Elektromagnetismus’
g
Der photoeelektrische Effekt
Kathodenstrahle
en (= Elektronen) werden durch
Einstrahlung von
n Licht auf Metalloberflächen erzeugt.
Klassisch: Da die
e Energie des Lichts proportional
zum Quadrat der Amplitude ist, muss auch die
Energie der Elekktronen der Intensität des Lichts
proportional sein
n.
Philipp von Lenard
Die Energie der Elektronen ist
proportional der Frequenz des
Lichts (Gradient = “h”)
h)
“Die Energie derr Elektronen zeigt nicht die
geringste
n der Lichtintensität”
Abhängigkeit von
Feld
der
Ph t
Photon
‘Elektromagnetismus’
g
“Mein
Mein einziger revolution
närer Beitrag zur Physik
Physik”
17 Mä
März 1905
Licht wird qua
antenweise emittiert und absorbiert
Emax
= hν - W
m
“Ein
Ein Lichtquant gib
bt alle seine Energie an ein einzelnes
Elektron ab”
(Erst im Jahr1
1917 durch Compton bewiesen)
Albert Einstein
Feld
der
Spezielle
p
Relativität
Spezielle Relativitätstheorie
Einstein war zu dem Schluss gekomme
en dass sich elektromagnetische Wellen
en,
ohne Medium (“Äther”) ausbreiten. Die
e Lichtgeschwindigkeit musste deshalb
in allen Inertialsystem gleich sein.
Seine zwei Postulate:
1) Lichtgeschwindigkeit c = konsta
ant (in Vakuum)
2) alle unbeschleunigten Bezugssy
ysteme sind äquivalent
(“Relativitätsprinzip”)
Aber wie konnten zwei relativ zuein
nander bewegte Beobachter
jeweils die gleiche Lichtgeschwindiigkeit messen?
Seine Schlussfolgerung:
Da c = const, und Geschwindigkeit = (Raumintervall/Zeitintervall) -->
Raum und Zeit können keine absolute Bedeutung haben
Feld
der
Spezielle Relativität
c²t² = v²t² + w²
t²(c² - v²) = w²
t=
1) Verlangsamung der Zeit, Verkürrzung des Raums
2) Modifizierung von Newton’s
Newton s Bew
wegungsgesetzen
‘Relativistische’ Masse - “Ruhee
energie”
w /c
2
v
1− 2
c
=γ⋅τ
Feld
der
Spezielle
p
Relativität
Die Relativitätstheorie erlaubte es,
“KAUSALITÄT”
KAUSALITÄT kons
sistent zu definieren:
Nichts kann sich
schneller als das Licht
bewegen
Nur Ereignisse
innerhalb des
Lichtkegels können
einen Einfluss
aufeinander ausüben
Feld
der
Spezielle
p
Relativität
Quantentheorie + Spezielle
e Relativitätstheorie =
??
Dirac hat die richtig
ge Formel ‘erraten’:
Die ‘Wurzel’ aus der relativistischen
Energie-Impuls-Beziehung
2
2
2
E = p +m →
E = ±(α ⋅ p) + β m
Elektron - Spin up
u
Paul A.M. Dirac
(1928)
Ψ=
Elektron - Spin do
own
Positron - Spin up
u
Positron - Spin do
own
Zum Vergleich: die nicht
nicht-relativistische
relativistische
Schrödinger-Gleichung
p2
h2 2
∂
E =
→ ih ψ = −
∇ψ
2m
∂t
2m
1) ANTITEI
ILCHEN
2) SP
PIN
3) SPIN + STATI
ISTIK (1940)
Feld
der
Spezielle
p
Relativität
Zwei wichtige Vorau
ussagen von Dirac
Die Wellenfunktion hat 4 Komponenten (zwei Spin 1/2 Teilchen)
Die ‘kleinen’ Komponenten beschrreiben ‘Anti-Teilchen’
Jedes Teilchen besitz
zt ein Anti-Teilchen
e+
Feld
der
Spezielle
p
Relativität
Entdecku
ung
g des Positrons
Dirac
c hatte recht!
Anderson (1932)
Elektron Positron Paarerzeugung
Elektron-Positron-Paarerzeugung
Feld
der
DAS VAKUUM WAR PLÖTZLICH SEHR
S
KOMPLIZIERT GEWORDEN
Quantenphysik (Un
nschärferelation!):
physikalische Systeme (z.B. Feld
der) kennen keine absolute Ruhe
Selbst im Grundzustand verschwinden die
e elektromagnetischen Felder nicht völlig:
Fluktuationen des Vakuums produzieren (für kurze Zeit) Elektron-Positron Paare.
Feld
der
Wie konnte man die Wechselwirkung zwischen
z
Elektronen und Photonen
berechn
nen?
‘Zweite Quantiisierung’ :
Felder werden durch Erzeugungs- und
d Vernichtsoperatoren beschrieben
Die ‘nackte’ Ladung des Elektrons pollarisiert die Vakuumfluktuationen
(‘Debye shie
elding’)
Die gemessene Elektronenladung ist die
d Summe der “nackten” Ladung
und der Polarisation
n des Vakuums
Field
ds
1934 - 1948
Quanten-E
Elektrodynamik
Feynman Tom
Feynman,
monaga Schwinger
monaga,
“Renormalisa
ation”
Nacktes Elektron + Vakuum-Fluktuationen = beobachtbares Elektron
(“unendlich” - “un
nendlich” = “endlich”)
R P
R.
P. Feynman
F
Feynman
Diagramme
P
Präzise
Berechnungsvorschriften in graphischer Form
Pfadintegral-Formalismus:
ein Elektron geht alle Wege
gleichzeitig!
Solche Graphen werden seitdem auch benutzt,
um andere Teilchen-Wechselwirkungen zu beschreiben.
Feld
der
1948
Vakuumfluktuationen haben beoba
achtbare Auswirkungen ...
die mit der QED präzise berechne
et werden können.
Anomalie des magnetischen
Moments des Elektrons
Lamb Shift
(Verschiebung atomarer
Energieniveaus)
Casimir-Efffekt
(Kraft zwischen zwei ungelad
denen Metallplatten)
Felder
Elektromagnetische
g
Wechselwirkung
g
QED: Elektrisch geladene
e Teilchen wechselwirken
durch den Austaus
sch von Photonen
1) Elektrische Ladungen senden virtuelle Photonen aus
2) Das 1/r2 Gesetz resultiert aus der Wa
ahrscheinlichkeit, ein anderes Teilchen
im Abstand r zu treffen (Korrelation mit der 3-Dimensionalität des Raums!)
QuickTime™ and a
TIFF (Uncompressed) decompressor
are needed to see this picture.
1/r2 Gesetz
Ein Modell für die Beschreibung de
er anderen Wechselwirkungen?