Detektor - Elementary Particle Physics
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Hands on Particle Physics Masterclass Oliver Grünberg 1 Fahrplan 1. Einführungsvortrag (45 Min.) 2. Diskussion & Pause (20 Min.) 3. Einführung in die Messungen (30 Min.) 4. Datenauswertung & Pause (75 Min.) 5. Ergebnisanalyse & Diskussion (15 Min.) 6. Abschlussquiz (20 Min.) 7. Vorstellung des Netzwerkes Teilchenwelt (10 Min.) 2 1. Teil EINFÜHRUNG IN DIE TEILCHENPHYSIK 3 Wozu Teilchenphysik? Klärung der Grundfragen der Physik ◦ ◦ ◦ ◦ Welche elementaren Teilchen gibt es ? Welche Kräfte gibt es ? Wie entstand unser Universums ? Gibt es eine Weltformel ? 4 Von groß nach klein Auflösung bis ca. 1mm Auge Auflösung bis ca. 1µm = 0,001mm Lichtmikroskop …. und weiter ? 5 Wie sehen wir Strukturen? Sehen = Abbilden ! Wir sehen nur ein Abbild des Objekts Photonen „tasten“ Oberfläche des Objekts ab Objekt Lichtquelle Detektor Genauigkeit des Abbilds ist begrenzt durch Eigenschaften der „Lichtquelle“ und des Detektors 6 Auflösung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten 1. 2. 3. Detektor Keine Auflösung der Punkte/Lücke falls „Photonen > Struktur“ 7 Auflösung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten Detektor 1. 2. 3. Kleine Strukturen „kleine“ Photonen Größe der Lichtteilchen gegeben durch Wellenlänge λ Sichtbares Licht: λ= 400 – 800 nm Auflösung für Auge somit stark begrenzt! 8 Neue Wege zur Untersuchung Benutze anderes Teilchen als Photon Quantenphysik sagt uns: ◦ h – Planckkonstante ◦ p – Impuls des Teilchens: p=m∙v hp Folgerung: Teilchen mit hohem Impuls haben kleine Wellenlänge: ◦ Nutze schnelle Elektronen statt Photonen ◦ Elektronenmikroskop 9 Virus Siliziumkristalle 10 Streuversuche 11 Entdeckung der Atomstruktur Rutherford Streuexperiment (1910) 0,11014 m + Elektron + Atomkern 12 Entdeckung der Quarks Beschuss von Protonen mit schnellen Elektronen Streuung der Elektronen an Quarks Detektor 13 Grundlagen 10 3 m 10 9 m 10 10 m 10 14 m 10 15 m 1803: Elemente bestehen aus unteilbaren Einheiten (Atomen) 1897: Entdeckung des Elektrons 1910: Atome haben Kern und Schale 1935: Kern besteht aus Protonen & Neutronen 1960er: Protonen & Neutronen bestehen aus Quarks 10 18 m 14 Bekannte Materieteilchen Bekannte Materie besteht aus Teilchen der 1. Familie Je höher die Familie desto schwerer die Teilchen 2. und 3. Familie nur kurz nach dem Urknall vorhanden 15 Bewegungsgesetze Wir wissen jetzt woraus Materie besteht, aber wie verhält sie sich? ◦ Bsp: Gravitation - Flugkurve beim Kugelstoßen Newtonsche Mechanik: Ansatz : Fy m y m g Fx x 0 Lösung : g 2 y t v y t y0 2 x vx t x0 16 Bewegungsgesetze Kräfte sind die Ursache für Bewegungen (Dynamik) Es gibt 4 bekannte Kräfte im Universum ◦ Gravitation, Elektromagn., starke Kraft, schwache Kraft Ab 1925: Quantenmechanik (Atome, Moleküle) Ab 1928: Quantenfeldtheorie für schnelle Teilchen (Teilchenbeschleuniger) 17 Kräfte und Ladungen Zu jeder Kraft gehört eine Ladung Teilchen tragen Ladungen Kräfte koppeln an die Ladung eines Teilchens (Bsp. F=m∙g Gravitation ~ Masse) Kräfte können abstoßend oder anziehend sein Kraftwirkung = Übertragung von Energie und Impuls durch Kraftteilchen Photon Elektron Elektron 18 Ladungen von Teilchen 4 fundamentale Wechselwirkungen 4 fundamentale Ladungen: ◦ ◦ ◦ ◦ 1. Farbladung Starke Wechselwirkung 2. Elektr. Ladung Elektromagnetismus 3. Schw. Ladung Schwache Wechselwirkung 4. Energie, Masse Gravitationskraft Summe der Ladungen bleibt erhalten Ladungen eines Teilchens beeinflussen sich nicht gegenseitig 19 Bsp.: die 3 Gesichter eines Quarks Photon Gluon (el. Ladung) (Farbe) Quark F=R,G,B Q= ± 1/3, ±2/3 T=1/2,0 W,Z (Schwache Ladung) 20 Die elektromagnetische Kraft Eigenschaften ◦ ◦ ◦ ◦ Ladung: elektrische Ladung Q Kraftteilchen: Photon Empfänger: Quarks, Elektronen, Protonen Reichweite: RE , Stärke: S E 1 Beispiele: Laser, Radiowellen, Röntgenbilder, chemische Bindungen 21 Die starke Kraft Eigenschaften ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ Ladung: 3 Farbladungen - rot, grün, blau Kraftteilchen: Gluon Empfänger: Gluon, Quark, Proton, Neutron Reichweite: RS 1015 m Stärke: S S 20 S E Beispiele: stabile Atomkerne, Quarkbindung zu Proton: u u d Pion: d u 22 Die schwache Kraft Eigenschaften ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ Ladung: schwache Ladung (T = 1/2,0) Kraftteilchen: W±, Z0 Empfänger: Quarks, Leptonen Reichweite: RW 10 18 m Stärke: SW 1 / 100 S E Beispiele: Beta-Zerfall von Neutron und Proton 23 Die Gravitation Ladung: Energie, Masse Kraftteilchen: Graviton(?) Stärke: SG 1040 S E Reichweite: RG Beispiele: Erdanziehung, Planetensysteme, Schwarze Löcher 24 Zusammenfassung Kräfte RS 1015 m RS 1018 m 10 40 25 Feynman-Diagramme (Sheldon zeigt Penny Feynman-Diagramme des Top-Quarks Zerfalls) Feynman-Diagramme Darstellung der Wechselwirkungen Berechnungen anhand der Graphen möglich Bsp. W- Elektron-Elektron Streuung Elektromagn. WW. Myon-Zerfall Schwache WW. 27 Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte (bis März 2013) 28 Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte (ab März 2013) Higgs 29 Was ist das Higgsteilchen ? Im SM sind alle Teilchen masselos Ansatz: Es gibt ein allgegenwärtiges Higgsfeld (Higgsfeld = Raumbereich in dem Higgsteilchen wirken) WW des Higgs-Teilchen mit anderen Teilchen verleiht ihnen Masse Vakuum: Higgs-Teilchen alleine reelles Teilchen „zieht“ HiggsT. an Teilchen wird gebremst und träge, d.h. es wird massiv Higgsfeld und Massenerzeugung WW Feld – Teilchen 1. Beschleunigung eines Elektrons durch elektrisches Feld (Energieübertragung) 2. Higgsfeld übeträgt Energie = Masse / c² via Higgsteilchen an das Elektron LHC - Die Higgsfabrik LHC = Large Hadron Collider Kollidiert Protonen mit E(Proton) = 4000 TeV v = c – 9m/s Länge: 27 km 4 große Experimente: Produktion von Higgsteilchen Higgsteilchen können erzeugt werden, wenn Protonen mit hoher kinetischer Energie kollidieren, bspw: Proton Gluon q „Gluonfusion“ q q Gluon Proton Produktionsrate insgesamt: ~10 Higgs / Minute Higgs Nachweis des Higgsteilchens Das Higgs zerfällt auf viele Arten Zwei gut messbare Zerfälle: γ q q H P = 0.23% q Z0 H Z0 γ l+ l = e,µ l- l+ l- P = 0.03% Ergebnisse: Higgs → γγ Higgs → 4l ( l = e,µ ) Ereignisbild mit Higgs →μμμμ Physiknobelpreis 2013 An Peter Higgs und Francois Englert für die Theorie des Higgsmechanismus Offene Fragen 1. Frage: Wie entstand unser Universum? 41 Offene Fragen 2. Frage: Wo ist die Antimaterie? Am Anfang des Universums gab es gleich viel Materie und Antimaterie Eine Sekunde später war die Antimaterie weg CP-Verletzung: Materie und Antimaterie verhalten sich ein bisschen unterschiedlich Offene Fragen 3.Frage: Woraus besteht unser Universum? ◦ bekannter Materie macht nur 4% unseres Universums aus 43 Offene Fragen 4. Frage: Gibt es eine Weltformel? ◦ Zusammenführen von Theorien schon teilweise gelungen! Elektrostatik Magnetostatik Elektrodynamik (1864) Schwache Wechselwirkung QED (1940er) Starke Wechselwirkung Gravitation Elektroschwache Wechselwirkung (1967) 2010 Große Vereinheitlichung Weltformel – „Theory of Everything“ 44 Offene Fragen 5. Haben Quarks Unterstrukturen? 6. Weitere Elementarteilchen? 7. Weitere Dimensionen? … es gibt noch viel zu tun! 45 2.Teil MESSUNG DES Z0-ZERFALLS 46 Das Opal-Experiment Vielzweck-Experiment am CERN von 1989 bis 2000 Ziel: Erforschung des Z0 und seiner Zerfälle Grundprinzip: Kollision von e+ und eund Erzeungung von Z0 47 Das Z0-Boson 1960er:Vorhersage in der Theorie der elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er: genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: ◦ Masse = 91,2 GeV/c² … GeV/c²? 48 Masse und Energie Einstein sagt: E=mc² m=E/c² 27 10 m ( p ) 1 , 67 10 kg 1 , 5 10 J / c² Umrechnung: 19 1 eV 1 , 6 10 J Nutze Einheit Elektronenvolt: Typische Größe: 1`000`000 eV = 1MeV ◦ Bsp. m(γ)=0 MeV/c² m(e-) = 0.5 MeV/c² m(µ-) = 106 MeV/c² m(p+) = 938 MeV/c² m(Z0) = 91200 MeV/c² = 91,2 GeV/c² 49 Das Z0-Boson 1960er:Vorhersage in der Theorie der elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er: genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: ◦ ◦ ◦ ◦ Masse = 91,2 GeV/c² ≈ 97 H-Atome Elektrisch neutral Lebensdauer: 1,3 1025 s Unterliegt der schwachen WW und Gravitation 50 Das Z0 Teilchen ist käuflich! http://www.particlezoo.net/ Zerfälle von Teilchen Fast alle Teilchen sind instabil und Zerfallen (außer Proton, Photon, Elektron) Art und Weise der Zerfälle durch Naturkräfte bestimmt Teilchenphysiker rekonstruieren Teilchen aus seinen langlebigen Zerfallsprodukten Bsp: Betazerfall: n → p + e- + ν Wichtig für alle Zerfälle: n ◦ Messung von Energie & Impuls ◦ Energie- & Impulserhaltung E (n) E ( p) E (e ) E ( ) P(n) P( p) P(e ) P( ) e p 52 Ergebnis der Neutronrekonstruktion Lebensdauer (τ) und Energiebreite (σ) sind verknüpft: h 6.6 1034 J s 53 Lebensdauer und Zerfallsbreite Die Lebensdauer/Zerfallsbreite eines Teilchens ist abhängig von Zahl der möglichen Zerfälle („Zerfallskanäle“) n 3 1 „Je mehr Löcher desto schneller ist der Eimer leer“ ~ 1/ n 2 Je mehr Zerfälle desto breiter das Energiespektrum 1/ ~ ~ n 54 Bedeutung des Z0 Zentrale Frage: Wieviele Teilchen-Generationen gibt es? Besonderheit des Z0: Es zerfällt nur in Teilchen einer Familie! 55 Zerfallsbreite des Z0 Breite gibt Aufschluss über Zahl der Familien = Zahl der Neutrinos • Zerfallsbreite des Z0 spricht für 3 Neutrinosorten 3 Teilchenfamilien 56 Zerfallswahrscheinlichkeit Heute: Messe die Zerfallswahrscheinlichkeiten des Z0 N xx Definition: P( Z 0 xx ) NZ 0 Betrachte 4 Zerfallsmöglichkeiten: ◦ ◦ ◦ ◦ 1. Z0 e+ e2. Z0 µ+ µ3. Z0 τ+ τ4. Z0 quark anti-quark 57 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 58 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 59 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor Kalorimeter aus Bleiglas MyonenDetektor 60 Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor 61 Backup 62 Der Teilchenzoo 63 Relativitätstheorie Energie-Masse Äquivalenz: E=mc² ◦ Genauer: E 2 (mc2 ) 2 ( pc) 2 m2 p 2 ◦ Falls: p mv 0 E mc2 ◦ Masse: unveränderlicher Teil der Gesamtenergie (Bsp. Kugel) E² = m² + p² E p m 64 Lebensdauer und Zerfallsbreite 1. Schwere Teilchen zerfallen immer in leichtere, wenn möglich! 2. Der Zerfall eines Teilchens ist ein statistischer Prozess! Manche Z0 leben länger als andere N0 N N0 e Zerfallsgesetz: t / 37% N 0 0 t 65 Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: ◦ auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Klassisch 66 Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: ◦ auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Modern 67 Quantenphysik & Relativität Teilchen-Welle-Dualismus: hp ◦ auch massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte) Modern 68 Zusammenfassung: Teilchen & Kräfte (bis März 2013)
