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 • • • • 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.
