Das Higgsfeld - Entstehung eines kosmischen Supraleiters
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Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften, Fachrichtung Physik Das Higgsfeld - Entstehung eines kosmischen Supraleiters Michael Kobel Technische Universität Dresden Lehrerforbildung DESY Zeuthen 25.11.2013 Was hat eine Eisenbahn mit der Sonne zu tun? v Faszinierende Effekte frei beweglicher Ladungs-Seen v v Cooperpaare im Supraleiter: See elektrischer Ladungen von Q=-2 Brout-Englert-Higgs-Feld im Universum: See schwacher Ladungen ttp://idw-online.de/de/image92497 koppelt an schwache Ladung: : http://samstag.physik.tu-dresden.de/ Zeuthen, 25.11.2013 http://idw-online.de/de/image92497 Michael Kobel 1. WECHSELWIRKUNG= LADUNG+KOPPLUNG 2. 3. 4. 5. Die schwache Isospin-Ladung Zutaten für unser Universum Spontane Symmetriebrechungen Das Brout-Englert-Higgs Feld als Supraleiter Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 3 of 45 Kosmologie: Zeit <-> Energie v Verschiedene Phasen der Strukturbildung Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 4 Großräumige Strukturen im Universum v Nicht Thema dieses Vortrags, Erklärung erfordert: • Primordiale Dichtefluktuationen (Quantenfluktuationen, Inflation) • Sehr viel dunkle Materie (jenseits des Standardmodells!) • Gravitation Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 5 Strukturen benötigen Wechselwirkungen Kernphysik „Wir“ www.schmunzelmal.de Teilchenphysik www.fnal.gov/pub/today/archiv e_2010/today10-04-15.html Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 6 4 Fundamentale Wechselwirkungen v Für unseren Alltag sind • „dynamisch“ relevant: § Gravitation § Elektromagnetismus (u.a alle Lebensvorgänge) • „statisch“ relevant: § Starke Wechselwirkung (Atomkerne <-> Chemische Elemente! ) § Schwache Wechselwirkung (Brennen der Sonne! ) v Alle bekannten Vorgänge lassen sich auf diese 4 Wechselwirkungen zurückführen ! Zeuthen, 25.11.2013 http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-fuer-lehrkraefte/ Michael Kobel 7 of 45 1. Zentraler Begriff des Standardmodells: Wechselwirkung v Pierers Universallexikon: • Wechselwirkung, das Verhältnis zweier gleichzeitig vorhandener Gegenstände, vermöge dessen sie füreinander in gewissen Beziehungen zugleich als Ursache und als Wirkung aufgefasst werden. v In der Teilchenphysik sogar mehr als das • Vereinigen die Phänomene „Entstehung“, „Kraft“ u. „Zerfall“ • 3 dieser Wechselwirkungen können im Standardmodell • über Symmetrien begründet werden Das Standardmodell ist zuallererst eine Theorie der Wechselwirkungen ! Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 8 Ladung – Kopplung - Wechselwirkung Jede Wechselwirkung hat eigene Botenteilchen Botenteilchen koppeln nur an Teilchen mit entsprechender Ladung Ladung der Materieteilchen Botenteilchen Starke Wechselwirkung Starke „Farb“-Ladung Gluonen g Schwache Wechselwirkung Schwache „Isospin“-Ladung Elektromagnetismus gs = 1.2 „Rot“, „Blau“, „Grün“ I3 W e- æ + 1/2 ö =ççè - 1/2 ÷÷ø Kopplung der Botenteilchen (bei 100 GeV) „Weakonen“ (W+,W-,Z) gw = 0.6 Elektrische Ladung Photonen g Q = -1, + ⅔, -⅓, … ge = e = 0.3 e Supersymmetrie??? Zeuthen, 25.11.2013 a g2S = S 4p a g2W = W 4p a g2e = 4p n SI: g Gravitation Kopplungsparameter Michael Kobel Gravitonen ? ? = e ε 0 hc GN Neues über Ladung v Es gibt 3 völlig verschiedene Ladungen (für jede WW des Standardmodells eine) v Diese können Vektorcharakter haben (!) v Die Teilchen ordnen sich bezüglich dieser Ladungen in „Multipletts“ • Warum genau diese Anordnung im „Periodensystem der Teilchen“? à immernoch unverstanden! Elektrische Ladung Q Schwache Ladung I3W +2/3 +1/2 -1/3 -1/2 0 +1/2 -1 -1/2 Starke Ladung Blau Grün Rot www.teilchenphysik.de/teilchenphysik/elementarteilchen Zeuthen, 25.11.2013 www.weltmaschine.de/physik/standardmodell_der_teilchenphysik Michael Kobel 10 Standardmodell = Elementare Bausteine ? v Elementare Bausteine sind eine herausragende experimentelle Erkenntnis à eine weitere Substruktur ist „so gut wie“ ausgeschlossen v Aber: sind nicht die theoretische Grundidee des Standardmodells à Anordnung ist weder vorhergesagt, noch bisher nachträglich verstanden ! v Bergen außerdem Gefahr des reines Auswendiglernens v Die Elementarteilchen sind die „Spieler“ in einer Welt, in der sich die „Spielregeln“ = Wechselwirkungen aus Symmetrien herleiten lassen Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 11 1. Wechselwirkung= Ladung+Kopplung 2. DIE SCHWACHE ISOSPIN-LADUNG 3. Zutaten für unser Universum 4. Spontane Symmetriebrechungen 5. Das Brout-Englert-Higgs Feld als Supraleiter Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 12 of 49 Warum der Name „schwache Isospin-Ladung“? v Zugrundeliegende Symmetrie genau dieselbe wie bei Spin: SU(2) v Vektor mit 3 Komponenten • Spin S = (Sx, Sy, Sz) im Ortsraum • Schwacher Isospin IW = (I1W, I2W, I3W) im abstrakten schwachen Isospinraum v Messbar nur: • Gesamter Betrag • eine Komponente (meist gewählt: die 3.) • sie beiden anderen sind „unscharf“ v Darstellung in Multipletts in I3W I3 æ + 12 ö æn e ö æn m ö æ u ö æ e + ö æ d ö æ F + ö æ 0 ö ç ÷ : çç - ÷÷, çç - ÷÷,..., çç ÷÷,..., çç ÷÷,..., çç ÷÷,..., çç 0 ÷÷ = çç ÷ ç - 1 ÷ è e ø è m ø è d ø èn e ø è u ø è F ø èv + H ( x ) ÷ø è 2ø W Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel http://de.wikipedia.org/wiki/Stern-Gerlach-Versuch I3 W æ +1ö æ ç ÷ çW ç 0 ÷ : çç Z ç -1÷ èçW è ø ö ÷ ÷ -÷ ÷ ø + 0 13 Ladungserhaltung • Erhaltung der schwachen Ladung I3W bei wichtigen Prozessen: (der Vektorcharakter von I hier nicht wichtig, es genügt I3W ) • K-Elektron Einfang in Atomen +½ p W+ n -½ +½ p W- n -½ -½ e-½ ene+½ ne +½ • Erster Nachweis von Antineutrinos aus Kernkraftwerken +½ p W+ n -½ +½ p -½ `n -½ `n e+ +½ e e • b+ und b- - Umwandlungen von Kernen n -½ +½ p -½ n W+ e+ +½ ne+½ W- W- n -½ e+ +½ p +½ e- -½ `ne -½ 2. Zentraler Begriff des Standardmodells: Ladung Ladungen sind charakteristische Eigenschaften von Teilchen v Ladungen sind Additiv Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) (“+“ notfalls vektoriell: z.B: p,n: keine starke Farbladung) v Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladung vor v Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren (Ausnahme: schwache Ladung im „See“ des BEHiggs-felds) v Das Konzept der Ladung lässt sich völlig analog auf alle 3 für Teilchen relevante Wechselwirkungen anwenden Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 15 3. Zentraler Begriff des Standardmodells: Kopplung Kopplungen sind Eigenschaften von Botenteilchen, und damit Eigenschaften der Wechselwirkungen (N.B: Auch e ist *Kopplung* und somit eine Eigenschaft des Photons. Die Bezeichnung „Ladung“ für e ist ein historischer Irrtum! Die elektrische Ladung ist Q, die meist im Produkt Qe vorkommt) v (Quadrate von) Kopplungen beschreiben die Stärke von Wechselwirkungen v Wahrscheinlichkeiten von Prozessen hängen ab von • Stärke (Kopplung) der Wechselwirkung • Ladungen der beteiligten Teilchen • Massen der beteiligten Teilchen, falls diese nicht klein sind gegenüber verfügbarer Energie Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 16 Können Jugendliche schwache Ladung messen? v Messung von Zerfällen des Z0 Teilchens mit echten Daten des LEP • • Analogie: Löcher im Wassereimer entsprechen „Zerfallskanälen“ Für einzelnes Wassermolekül ist Austrittsloch nicht vorhersagbar <-> Für einzelnes Z-Teilchen ist Zerfallskanal nicht vorhersagbar v Entleerung à Eigenschaften der Löcher Zerfall des Z à Eigenschaften der Teilchen (Kopplung ans Z über schwache Ladung) • • • Verhältnis der Austrittsmengen à Größenvergleich der Löcher Verhältnis der Zerfallshäufigkeiten à Größenvergleich der schwachen Ladungen Z0 e, µ, t gleich häufigà gleiche schwache Ladung (denn deren Massen sind alle klein gegen Z-Masse) Quarks kommen 15 Mal = 5x3 Mal „zu häufig“ vor à 5 mögliche Sorten x 3 starke Farbladungen Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel www.teilchenwelt.de 17 Z0-Zerfall in ein Tau-Antitau-Paar Z0-Zerfall in ein Myon-AntimyonPaar Z0-Zerfall in ein ElektronPositron-Paar Z0-Zerfall in ein QuarkAntiquark-Paar (aus denen Jets entstehen) Ereignisbilder eines LEP-Experimentes 1000 solcher Ereignisse werden von Jugendlichen (100 je Gruppe) analysiert und kategorisiert Messergebnisse von 20 Jugendlichen Z0 Eine der Messaufgaben die das Netzwerk Teilchenwelt an die Schulen bringt In Einklang mit LEP Ergebnissen, publiziert in: Physics Reports, Mai 2006 Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 19 1. Wechselwirkung= Ladung+Kopplung 2. Die schwache Isospin-Ladung 3. ZUTATEN FÜR UNSER UNIVERSUM 4. Spontane Symmetriebrechungen 5. Das Brout-Englert-Higgs Feld als Supraleiter Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 20 of 45 Das Konzept des Standardmodells Lokale Eich-Symmetrien generieren SU(3)c x SU(2)I x U(1)Y bestimmen Ladungen Erzeugende der Symmetrien erhalten koppeln an erfüllt Lagrange Dichte: = Dichte von Ekin– Epot benötigt Wechselwirkungen Botenteilchen: g1-8 , W+, W-, Z0, g L=T-V Euler-Lagrange Gleichungen Bewegungsgleichungen Dirac: (igmDm- m) y = 0 Maxwell: ¶mFmn = Jn Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 21 Nur diese Formel erfüllt alle Symmetrien ! Wechselwirkungen zwischen Boten und Bausteinen Botenteilchen unter sich: à keine freien Quarks, emag Wellen, … http://www.quantumdiaries.org/2011/06/26/cern-mug-summarizes-standard-model-but-is-off-by-a-factor-of-2/ Higgs mit Bausteinen und Boten Massen der Bausteine und Botenteilchen Erzeugung und Zerfälle des Higgs Teilchens Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel Higgsteilchen unter sich noch nicht beobachtet 22 Zutaten für unser Universum v 3 Typen von Ladungen generieren 3 Symmetrie Gruppen: • SU(3)C Ä SU(2)I Ä U(1)Y • Diese „lokalen Eichsymmetrien“ verlangen (!) Wechselwirkungen, (sonst können die lokalen Symmetrien nicht erfüllt werden) v Je 1 freien Kopplungsparameter (Stärke) für jede Wechselwirkung (genaue Werte abhängig vom jeweiligen Energieübertrag) • 1 = 8 1 = 29 1 = 108 vor Kondensation des BEH-Feldes as • aW 1 a em aY = a1W + a1Y = 137 nach Kondensation des BEH Feldes v Brout-Englert-Higgs (BEH) Mechanismus bei 10-12s nach Urknall • Kondensation eines allgegenwärtigen BEH-Feldes • Spontane Brechung der schwachen Eichsymmetrien • Elektroschwache Mischung von (B0, W0) zu (Z0, g) • Generierung der Massen von W+, W- und Z0 • Mischung der Fermionen und Generierung ihrer Massen v Gravitation Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 23 e-p Streuungen von HERA bei DESY Reichweite der schwachen Kraft Geändert von: http://wof-cluster.desy.de/sites/images/content/e8/e76/index_eng.html 10-17 10-18 SU(3) C SU(3) C U(1)Q SU(2)I 10-30 10-35 U(1)Y 2 e vor elektroschwacher Mischung Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 24 Charakteristika der Wechselwirkungen Kernphysik „Wir“ www.schmunzelmal.de Teilchenphysik www.fnal.gov/pub/today/archiv e_2010/today10-04-15.html Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 25 Ein mögliches „larger picture underneath“ v Kopplungsparameter a nähern sich bei hoher Energie an v à alle Kräfte haben ähnliche Stärke Zeichen für einen gemeinsamen Ursprung aller Wechselwirkungen? http://sites.uci.edu/energyobserver/ 2012/12/02/update-on-some-higgsblog-entries/ Typische Energie v Klappt sogar noch besser mit Supersymmetrie! Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 26 Why are all the interactions so similar in their structure? There are a number of possibilities: v The first is the limited imagination of physicists: When we see a new phenomenon, we try to fit it in the frame-work we already have – until we have made enough experiments we don’t know that it doesn’t work… It’s because physicists have only been able to think of the same damn thing, over and over again. v Another possibility is that it is the same damn thing over and over again – that Nature has only one way of doing things, and She repeats her story from time to time. v A third possibility is that things look similar because they are aspects of the same thing – some larger picture underneath… Richard. P. Feynman, “The strange theory of light and matter” Princeton University Press, 1985 “Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie” Piper Taschenbuch, 9,95€ Michael Kobel Zeuthen, 25.11.2013 27 1. Wechselwirkung= Ladung+Kopplung 2. Die schwache Isospin-Ladung 3. Zutaten für unser Universum 4. SPONTANE SYMMETRIEBRECHUNGEN 5. Das Brout-Englert-Higgs Feld als Supraleiter Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 28 of 45 Historischer Ursprung der Spontanen Symmetriebrechung Siehe auch: Steven Weinberg in http://cerncourier.com/cws/article/cern/32522 v 1959-1961: Yōichirō Nambu (Nobelpreis 2008) Erste Anwendungen von spontaner Brechung von Symmetrien auf Supraleitung und Teilchenphysik (starke WW, Protonmasse) Particle Field Theory Feynman/Dyson BCS theory of superconductivity http://prola.aps.org/abstract/PR/v122/i1/p345_1 Field Theory of Strong Interactions Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel Folie 29 Spontane Symmetriebrechung v Ausgangslage: Symmetrische Konfiguration (hier Spiegelsymmetrie zweier hungriger Esel) http://www.g2webdesign.de/mediation/WasIstMediation.html Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel Folie 30 v Veränderlich: Brechungsparameter (hier: Einsicht) V(Φ) Φ V(Φ) Φ Einsicht v Übersteigt der Brechungsparameter einen kritischen Wert, wird der symmetrische Zustand instabil Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel Folie 31 v Es entsteht ein neuer unsymmetrischer Grundzustand, mit endlicher Auslenkung Φ V(Φ) Φ v Quantenmechanisch entspricht dies einem überall im Vakuum vorhandenen Feld mit endlichem Wert Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel Folie 32 Überblick einiger spontaner Symmetriebrechungen Phänomen gebrochene Symmetrie Brechungsparameter Ordnungsparameter Massive Anregung Esel Spiegelung Einsicht PaarBildung Trennung Elastischer Stab O(2) Rotation Kraft Biegung Schwingung Supraleitung U(1) Phasenrot. Temperatur, Magnetfeld Cooperpaar Dichte SchmidGap-Flukt. Ferromagnetismus O(3) Rotation Temperatur Magnetisierung Spinwelle Kerndeformation O(3) Rotation Valenznukleonzahl Deformation Vibration Hadronmassen SU(2)A Chiral-axial Stärke der WWirkung `qq Kondensat Sigma Meson Brout-Englert Higgs Mech. SU(2)L El.-schwach Temperatur Higgsfeld v =246 GeV HiggsBoson Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel Folie 33 1. 2. 3. 4. Wechselwirkung= Ladung+Kopplung Die schwache Isospin-Ladung Zutaten für unser Universum Spontane Symmetriebrechungen 5. DAS BROUT-ENGLERT-HIGGS FELD ALS SUPRALEITER Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 34 of 45 Was ist im Supraleiter spontan gebrochen? v Ungeordneter Zustand bei hohen Temperaturen: alle Phasen der Cooperpaare zufällig verteilt (=eichsymmetrisch) v à Phasen können ohne Energieaufwand durch masselose Photonen lokal geändert werden v Unterhalb TC : Kondensat Alle Cooperpaare „in Phase“ • • • U(1) Phasensymmetrie gebrochen Anregung =Streuung am Gitter kostet Energie à Cooperpaare bewegen sich ohne Widerstand http://www.nature.com/nature/journal/v433/n7023/fig_tab/nature03281_F1.html Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 35 Meißner Effekt im Supraleiter v Ströme schirmen alle elektromagnetischen Felder = Photonen ab v Charakteristische Länge: London-Eindringtiefe lL äußerer Magnetfelder v Endliche Reichweite lL von Photonen entspricht massiven Photonen (s. Comptonwellenlänge: http://en.wikipedia.org/wiki/Compton_wavelength Zeuthen, 25.11.2013 ) http://www.globalspec.com/reference/51122/203279/penetration-depth-of-amagnetic-field-in-superconductor Michael Kobel 36 Spontane Symmetriebrechung der schwachen Ladungssymmetrie v Idee von Brout, Englert, Higgs, Kibble, Hagen und Guralnik, 1964 • Allgegenwärtiges Hintergrundfeld æf + Φ=ç çf 0 è ö ÷ ÷ ø mit Potenzial V ~ f4 § „Brout-Englert-Higgsfeld“ , Völlig homogen, strukturlos 1 æ0ö çç ÷÷ bricht SU(2)I Rotationssymmetrie 2 èu ø • Grundzustand Φ0 = • 1 Anregungsmöglichkeit: Φ0 = 1 æ 0 ö çç ÷÷ 2 èu + H ø § „Higgs-Boson“ H § Beweist Existenz des Hintergrundfelds v 2 neue Parameter im Standardmodell • • v =246 GeV (Wert des Hintergrundfelds ) f0 l = 0.13 (Zähigkeit des BEH-Feldes -> Masse d. Higgs-Bosons) Zeuthen, 25.11.2013 mH = 2l u Michael Kobel f+ 37 of 49 Woher kommt die Masse des W? v Brout-Englert-Higgs Feld 1 æ0ö ç ÷ Φ0 = 2 çèu ÷ø Φ0 = 1 æ 0 ö çç ÷÷ + H u 2è ø v ist Kondensat (See) mit schwacher Ladung I3W = -1/2 • • • v Kann durch Ströme schwache Ladungsfelder kompensieren Begrenzt damit die Reichweite der schwachen Felder von W und Z Äquivalent zur Erzeugung von Masse der Bosonen lW =ħ/mW c W koppelt an schw. Ladung I3W und damit ans BEH-Feld mit gW = 0.6 v W-Masse quantitativ vorhersagbar! v Vorhersage: 80,37 GeV Messung: 80,40 GeV (Präzision < Promill!) koppelt an schwache Ladung: : Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel mW = 12 gWu Masseerzeugung für Eichbosonen = Meißner Effekt v Meißner Effekt im Supraleiter: B-Feld (Photonen) erhalten endliche Reichweite (=Masse) im Cooper-Paar Hintergrundfeld Higgs Mechanismus Supraleitung Hintergrundfeld BEH Feld Cooper Paare Natur Bosonisch, S=0 Bosonisch, S=0 Amplitude F v Ö(nCP/MCP) Ladung C I3W = - ½ Q = -2 Kopplung g gW e Meißner Effekt exp(- r/ lW) exp(- r/ lL) Reichweite l=ħ/mc 0,000.000.0025 nm 10 - 100 nm Masse m = CgF mW = ½gWv mg = 2eÖ(nCP/MCP) Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 39 Längenskala des Ordnungsparameters v massive Anregungen des Ordnungsparameters nach spontaner Symmetriebrechung: • Supraleiter: periodische Variation der Dichte n des Cooperpaar-Kondensats (beob. 2013!) • BEH-Feld: lokale Variation von v+H(x) = Higgs Bosonen v zweite damit verbundene Längenskala • Im Supraleiter : Kohärenzlänge x § x > lL : Typ-I Supraleiter § x < lL : Typ-II Supraleiter (dort sind Flussschläuche möglich) • Im BEH-Feld : (Compton)wellenlänge der Higgs Anregung § lH =ħ/mHc = 0,000.000.0016 nm < lW =ħ/mWc § à Typ II Supraleiter für schwache Ladungen Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel SLAC Beamline 1996: Lance Dixon „From Superconductors to Supercolliders“ www.slac.stanford.edu/ pubs/beamline/26/1/26-1dixon.pdf Folie 40 BEH-Feld als kosmischer Supraleiter - im Vergleich zu elektrischen Supraleiterm - v Wirkt ca 10 Milliarden Mal effektiver • Abschirmlänge (0,0025 fm) ist 10 Milliarden mal kleiner! v Ist ca 100.000 Milliarden mal stabiler • Um das BEH-Feld zu „verdampfen“, müsste man ein Volumen im Weltall auf die kritische Temperatur von 3x1015 K erhitzen (= 250 GeV, 200 Millionen Mal heißer als im Sonneninneren !) Ein wirklicher hoch-TC Supraleiter! v Ist ein Typ-II Supraleiter • Könnte also prinzipiell beim Phasenübergang „damals“ Flußschläuche („cosmic strings“) eingefroren haben, in denen das BEH-Feld Null ist. (ist aber unwahrscheinlich) Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel Folie 41 Der Higgs Phasenübergang bei 10-12 s v Mögliche Arten: • 1. Ordnung (b) • • Ordnungsparameter F springt (Wassertröpfchen) 2. Ordung Ordnungsparameter F stetig mit Knick (elektrische Supraleitung) Cross-over (a): Ordnungsparameter F stetig ohne Knick (Koexistenz der Phasen) (BEH-Feld Kondensation für mH > 75 GeV im SM) v Phasendigramm des Wassers • Ordnungsparameter: Dichte http://arxiv.org/abs/hep-ph/0205279v1 http://lanl.arxiv.org/abs/astro-ph/0307387v2 Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 42 of 45 … was wäre wenn … Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse View Online: http://www.tricklabor.com/de/portfolio/was-waere-wenn Download: : www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen v Massen von Elementarteilchen v bestimmen den Ablauf der Kosmologie W-Masse bestimmt z.B. die Geschwindigkiet von Prozessen der schwachen Wechselwirkung Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 43 v Warum brennt die Sonne so langsam? • p + p à D + e+ + n • • • v (Energiegewinn ppàD: DE = 0,9 MeV) Vermittelndes W-Teilchen sehr schwer: mW = 80400 MeV Rate unterdrückt um ~ (DE / mW )4 > 10-20 p Sonne brennt im inneren eines schw. Supraleiters ! W+ n Zerfallsprodukte des W+ ne e+ Weiterführende Literatur http://prola.aps.org/abstract/RMP/v68/i3/p951_1 R.N. Cahn, „The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life“(1996) http://arxiv.org/abs/hep-ph/9707380 V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, „The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model“ (1997) http://arxiv.org/abs/astro-ph/9909295v2 C. Hogan, „Why the Universe is Just So“ (1999) http://arxiv.org/abs/0712.2968v1 Th Damour und J.F.Donoghue, „Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding“ (2007) Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel n entsteht über W+ 44 of 45 Was für ein Glück für uns! v Was für ein Glück! http://medicalobserver.com/news/2011122392/wieviel-vitamin-d-braucht-der-mensch Michael Kobel Zeuthen, 25.11.2013 45 of 49 BACKUP Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 46 ENERGIE ist der Schlüssel zu … zu Raum: zu Masse: zu Zeit: Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 47 Das große Bild S l S S S S LHC: Nachstellen der Prozesse zwischen Elementarteilchen 10-12 s nach dem Urknall Teilchenbeschleuniger: LHC LEP http://lhc-milestones.web.cern.ch/lhc-milestones Geschichte der Physik Zurück zum Urknall Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 48 Lokale Eichtransformation auf einer Waage Hier Dort 60 60 Messung: Messung: 50 v Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel Lokale Eichinvarianz erfordert • Absorption oder Emission von “Eich-Teilchen” (g, W, Z, g) 50 Analogien v Ziel der Person (Teilchen): • Keine Änderung des angezeigten Gewichts unter lokalen Änderung der Eichung (Phasenwerts) 60 v Sensitivität auf Umeichungen • Bestimmt durch Meßskala (Ladung Q) 60 v Wahrscheinlichkeit der Nahrungsänderung (Wechselwirkung) • Häufigkeit der Gewichtskontrolle (Kopplung ge = e) v Zunahme oder Abnahme von Gewicht (Phase) • in Form von Nahrung (Eichbosonen: Photonen) v Menge der Zu- und Abnahme • (Vertex- Amplitude) Produkt von Sensitivität*Häufigkeit (Produkt Q*e) Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 51 Umeichung im Elektromagnetismus U(1)Q e Nullpunktseichung der Phase • Nullpunktseichung der Phase QED 1927: Dirac, Jordan, Heisenberg, Pauli… Eichtheorie 1941: Pauli, … Ergebnis: Fundamentalprozess („Vertex“) Aufnahme oder Abgabe eines Eichbosons (Photon g) Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 52 Die schwache Eichsymmetrie SU(2) v 1961 S.Glashow: Eichung der schwachen Ladung I3 I2 I1 Neutrino: I3 = ½ Elektron: I3 = -½ Up-Quark: I3 = ½ Down-Quark: I3 = -½ Idee: (n, e) und (u, d) unterscheiden sich nur durch die „Richtung“ eines Pfeils (schwache Ladung Iw) v lokale Umeichung I3 I2 I1 Zeuthen, 25.11.2013 W+ n e I2 I1 Michael Kobel I3 53 Die starke Eichsymmetrie SU(3)c v 1973: Gross, Politzer, Wilczek, Nambu, Fritzsch… starke WW durch Umeichung der Farbladung Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 54 Standardmodell: schlicht, elegant und erstaunlich erfolgreich v 3 Typen von Ladungen erzeugen 3 Symmetrie-Gruppen: • SU(3)C Ä SU(2)L Ä U(1)Y v Lokale Eichinvatianz erfordert Vorhandensein von Interaktionen in L und sagt alle Eigenschaften vollständig vorher v Fundamentale Fermionen erscheinen in bestimmten Darstellungen bzgl. der 3 Symmetrie-Gruppen © Chris Quigg v Zeuthen, 25.11.2013 Diese definieren die Werte ihre Ladung und die Empfindlichkeit gegenüber Wechselwirkungen (je n. Chiralität L,R) Michael Kobel 55 of 49 Symmetrie und Masse v v Symmetrien der Elektromagnetischen und starken Wechselwirkung ü Erfordern masselose Austauschteilchen ü erlauben Teilchenmassen, da alle Massen im Multiplett gleich Symmetrie der schwachen Wechselwirkung Erfordert masselose (GeV) Experim. Theorie Austauschteilchen mW 80.4 0 Erfordert zusätzlich masselose Bausteinteilchen 91.2 0 m Z mt 173.2 0 mb 4.2 0 … me 0 0.000511 … v 0 0 Lösung: Spontane Symmetriebrechung (Nambu 1960) • Gibt Austauschteilchen (W und Z) Masse: Brout&Englert, Higgs, Hagen&Guralnik&Kibble (1964) • Kann auch allen Bausteinteilchen Masse geben Weinberg (1967), Salam(1967) Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 56 of 49 Symmetrie und Masse v Vorhersage von Teilchenmassen (GeV) Experim. mW 80.4 0 mZ 91.2 0 mt 173.2 0 mb 4.2 0 … me v Lösung (Weinberg 1967) • Fermionen-Paare koppeln über „Yukawa“ Wechselwirkung mit SU(2) Duplett Feld F • Entspricht der Bildung eines† æ f + ö æn ö Skalarproduktes y l l R çç 0 ÷÷ çç L ÷÷ èf ø è l L ø das eich(=dreh) invariant ist v Bedarf an jedem der 12 Fermionen eine neue „Yukawa“- Kopplung yf ~ mf Erklärt nicht den Massenwert, sondern erklärt, was Masse ist 0 0.000511 … v Theorie 0 0 Grund: • Schwache Ladung ist „Vektoreigenschaft“ • SU(2) Eichtransformation verbindet b <-> t , n e <-> e , …Massen sind identisch • Unterschiedliche Schwache Ladung für Chiralität fL und fR , Zustände erfordern: m=0, v æn ö ml l R çç L ÷÷ + ... èlL ø weil ein schwacher Vektor und nicht invariant unter SU(2) Drehungenist Michael Kobel Zeuthen, 25.11.2013 57 of 49 Alle Massen folgen dem BEH-Feld • Anregungen des BEH-Feldes erscheinen als massives Higgs Boson § Zuerst gezeigt von Peter Higgs, PRL 13 (1964) 508 mH = 2l u • Kinetischer Energie-Term (D f ) (D f ) des Hintergrundfelds † µ µ § erzeugt Z-H u. W-H Wechselwirkung mit bekannten Stärken g § erzeugt W und Z-Boson Massenterme à Massen vorhersagbar! mW = 12 gWu mZ = 12 gW2 + gY2u mg = 0 • Erzeugung der Baustein-Massen § Postulat (Weinberg): Jedes Baustein-Teilchen f koppelt mit seiner eigenen Kopplung yf an das Hintergrundfeld mf = 1 2 Zeuthen, 25.11.2013 y fu Michael Kobel 59 v Pure Metalle: Typ-I Supraleiter v Metall-verbindungen: Typ-II Supraleiter http://www.cockcroft.ac.uk/education/PG_courses_2006-7/Delayen_Notes/Daresbury%202007%20-%2001-02%20-%20SC%20-%20Physics.pdf Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel Folie 60 Phasendiagramme Typ I (a) und Typ II (b) Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel Folie 61 Phasendiagramm Higgs T = 250 GeV = mH / mW 80 GeV 126 GeV http://cds.cern.ch/record/403900/files/9910354.pdf Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 62 v 2013: Erste Beobachtung von Higgs-Moden im Supraleiter v Periodische Oszillationen des Elektrischen Felds durch periodische Oszillationen der Cooperpaardichte Higgs Amplitude Mode in the BCS Superconductors Nb1-xTixN Induced by Terahertz Pulse Excitation Zeuthen, 25.11.2013 Michael Kobel 63
