Willkommen bei den Masterclasses! - Institut für Kern
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“Hands on Particles Physics”, International Masterclasses Willkommen bei den Masterclasses! Wie arbeitet ein Teilchenphysiker? Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 1 Ablauf des Tages 10:00 Uhr: Begrüßung 10:10 Uhr: Vortrag “Auf den Spuren der Elementarteilchen” 11:10 Uhr: Diskussion zum Vortrag 11:30 Uhr: Mittagspause (mehr Zeit, um Fragen zu stellen) 12:00 Uhr: “Identifying Particles”, Auswertung von Daten 13:20 Uhr: Diskussion der Ergebnisse 13:40 Uhr: Quiz 14:00 Uhr: Schlussworte Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 2 Auf den Spuren der Elementarteilchen Überblick Teilchen und Kräfte Identifikation LHC/ Atlas/ CMS Z-Zerfälle Kathrin Leonhardt Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 Nützliche Einheiten für Teilchen Größe: 1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m (1 µm = 1.000.000.000 fm) Energie: 1 ElektronVolt = 1eV 1 keV = 1000 eV 1 MeV = 1.000.000 eV 1 GeV = 1.000.000.000 eV 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 Wie ist die Materie aufgebaut? 1/10 1/10.000.000 ~ 0,01 m Kristall 10-9 m Molekül 1/10.000 10-10 m Atom 1/1.000 1/10 10-14 m Atomkern 10-15 m Proton <10-18 m Quark, Elektron Welche Elementarteilchen gibt es? Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 5 Das Elektron, e- 1897 von J.J. Thomson entdeckt Masse m= 0,5 MeV = 9,109·10-31 kg Ladung q= -1·e keine innere Struktur → tatsächliches Elementarteilchen, das nicht weiter geteilt werden kann? Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 6 Das Myon, µ 1937 in der Höhenstrahlung entdeckt Höhenstrahlung: Teilchen aus dem All treffen auf Atmosphäre → Teilchenschauer entsteht Ähnliche Eigenschaften wie Elektron ABER: instabil, zerfällt nach 2,2·10-6s schwerer, mµ- = 100 MeV (= 200 me-) Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 7 Das Tau, τ 1975 wurde das τ entdeckt Masse: mτ = 1784 MeV → 3000mal schwerer als e-, doppelte Masse des Protons ( mp = 1,6·10-27 kg) sehr kurze Lebensdauer: 5·10-13 s Trotzdem: ähnliche Eigenschaften wie Elektron e-, μ-, τ - gehören zur Gruppe der Leptonen (griech.: leichtgewichtig) ! Masse des Tau Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 8 Noch ein Lepton! 1914 Chadwick β-Zerfall: n p + eUnerwartete Energieverteilung Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino ν Elektrisch neutraler Partner des Elektrons Sehr leicht Nur schwach wechselwirkend (Fermi): 999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet im Universum 366.000.000 Neutrinos / m3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m33 Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 9 Das Lepton-Set → jedem geladenen Lepton wird ein Neutrino zugeordnet Es entsteht ein Ordnungsschema: Einteilung der Leptonen in drei Familien/Generationen. Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 10 Warum zerfallen Myon- und Tau-Lepton? •Beide Leptonen haben große Masse, aber sonst gleiche Eigenschaften wie das Elektron. → Umwandlung in „energetisch günstigeren Zustand“ Feynman-Diagramm für μ- → νμ + e- + νe Beachte: Ladungserhaltung Leptonzahlerhaltung Ähnlich für Tau-Lepton τ - → ντ + e- + νe Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 11 Was ist mit Proton/Neutron? In den 50ern: Entdeckung vieler Teilchen → Teilchenzoo 1964 Einführung von kleineren, elementareren Teilchen durch Murray Gell-Man, die Quarks Proton und Neutron sind nicht elementar! Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen 1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg 1 fm Proton wahrscheinlich stabil, Lebensdauer > 1033 Jahre Normale Materie aus u-,d-Quark und Elektronen aufgebaut, bilden Atomkerne und Atome. Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 12 Das vollständige Set der Bausteinteilchen Alle Teilchen sind punktförmig ( < 0.001 fm) Das 4er Set der „1.Baustein-Generation“ wiederholt sich genau 2 Mal. Niemand weiß, warum Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 13 Die Massen der Elementarteilchen 1995: TeVatron, FNAL,Chicago Entdeckung des Top Quarks Masse: 173 GeV ! Massen in MeV Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 14 Konzept der Wechselwirkungen Wechselwirkung: Kraftwirkung zwischen Teilchen Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion 4 fundamentale Wechselwirkungen Gravitation (Schwerkraft) S Elektromagnetismus N Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung q q n n pp n p n p nnn p pp n p pnp Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 15 Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 16 Was ist eigentlich eine Ladung? Eine Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens Ladungen sind Additiv: Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren Mehr wissen wir (noch) nicht Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 17 Die elektromagnetische Kraft Ladung: elektrische Ladung Q Arten: 1 Ladungsart: „Zahl“, positiv oder negativ Botenteilchen: Photon Eigenschaften: elektrisch neutral: Q=0 (keine WW untereinander) masselos : m=0 (bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit) Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung +2/3 -1/3 0 -1 Besonderheiten: Unendliche Reichweite Makroskopisch beobachtbar Magnetfelder lenken elektrisch geladene Teilchen ab, umso weniger je höher deren Energie ist Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 18 Die starke Kraft Ladung: starke Ladung Arten: 3 Ladungsarten: „Farbe“, plus jeweilige Antifarbe Botenteilchen: 8 Gluonen Eigenschaften: tragen selber je 1 Farbe und Antifarbe masselos : m=0 Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung r, b, g r, b, g Besonderheiten: Endliche Reichweite ca 1 fm Hält p, n und Atomkern zusammen Makroskopisch nicht beobachtbar, außer im radioaktiven α-Zerfall Heliumkerne Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 19 Die starke Kraft Besonderheit: Gluonen (Botenteilchen) tragen ebenfalls Farbladung, können dadurch auch miteinander wechselwirken es gibt keine freien Farbladungen Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 20 Die schwache Kraft Ladung: schwache Ladung (I1, I2, I3) Arten: 1 Ladungsart: „Zahlentriplett“ Botenteilchen: W-, Z0, W+ Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I = -1, 0, 1 3 Masse : m = 80 – 90 GeV Teilchen Up Down Neutrino Elektron I3 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 Besonderheiten: Endliche Reichweite ca 0.0025 fm Makroskopisch nicht beobachtbar, außer Brennen der Sonne und radioaktive Umwandlung („Zerfall“) des Neutrons Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 21 Teilchen und Kräfte Neutrinos wechselwirken sehr selten (nur über schw. WW) (999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung) Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 22 Antimaterie Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Ladungsvorzeichen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen können paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt können sich diese wieder zu Botenteilchen vernichten, z.B. e+ + e- Z0 , am besten wenn 2Ee=mZc2 Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 23 Wie entdeckt man neue Teilchen? Teilchenphysik = Hochenergiephysik Forscher nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn mit steigender Energie E (Impuls p) der Projektile steigt: Fähigkeit, kleine Strukturen ∆x zu erkennen ∆x ∆p = ħ (Heisenberg) Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen: E = mc2 (Einstein) Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 24 Teilchenbeschleuniger als Mikroskope Sehen = Abbilden Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor) „Auflösungsvermögen“ : Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Projektilgröße << Größe der Strukturen Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV) , zum Beispiel: 0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV 200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV 0,2 µm bei E = 1 eV Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 25 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 26 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Tennisbälle Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 27 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Murmeln ...Nichts wie weg ! Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 28 Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Haben Sie auch daheim! • Funktionsprinzip: Simulation • Linearbeschleuniger: Fermilab, Chicago (in Betrieb) DESY, Hamburg (in Planung) Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 29 Bis 2000: e-e+ Vernichtung bei CERN Strahlenergie Ee= 40-100 GeV Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 30 Der Large Hadron Collider LHC Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen, Umlauffrequenz 11 kHz Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 31 LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2·350 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug 120 Elefanten mit 40 km/h Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 32 Ein Blick in den Tunnel Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu Strukturen und Abständen von 10-19 Metern Massen auf der Teraskala (E = mc2 = 1TeV) Entwicklung des Universums nach dem Urknall von 0,000.000.000.001 s bis 0,000.01 s Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 33 In Dresden: ATLAS Experiment, LHC Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten 170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern Größenvergleich Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 34 Teilchenidentifikation = Detektivarbeit Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten Feststellbare Teilcheneigenschaften: aus Quarks („Hadronen“) elektr. geladen/ ungeladen leicht/ schwer Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 35 Mehr Durchschlagskraft für: - schwere Teilchen - schwächere Wechselwirkung Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 36 Schnitt durch den CMS Detektor Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 37 Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets e-p Kollisionen bei HERA am DESY Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 38 Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 Elektronische Bilder Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 39 Z “Zerfälle“ Das Z Teilchen ist nicht stabil Wandelt sich nach 3·10-25s (!) in andere Teilchen um eZ0 Z0 Z0 qq τ- τ+ µµ+ e+ e- νν e+ Zeit Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 40 Zerfallskanäle Löcher entsprechen „Zerfallskanälen“ Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht vorhersagbar Für einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar Entleerungsdauer → absolute Größe der Löcher Zerfallsdauer → Stärke der „Kopplungen“ an Teilchenpaare Ergebnis: „Schwache Wechselwirkung“ gar nicht so schwach! Verhältnis der Austrittsmengen → Größenvergleich der Löcher Verhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten → Größenvergleich der Kopplungen Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 41 Animation des ATLAS und CMS Detektors ATLAS CMS Ziele: Suche nach Neuem: • Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?) • Supersymmetrie ( Dunkle Materie?) - nur 4% des Weltalls ist „normale“ Materie • zusätzliche Raumdimensionen Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 42 Kosmologie - Teilchenphysik frühes Universum: Temperatur 1015 K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV alle Teilchen kollidieren unkontrolliert Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 43 Auf der Suche nach der „Weltformel“ heutige experimentelle Grenze Fortschritt der Physik Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 Zurück zum Urknall 44 Schlussübersicht Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 45 Viel Spaß bei den Übungen! Masterclasses, St. Benno-Gymnasium, 23.04.09 46
