Willkommen bei den Masterclasses! - Institut für Kern

“Hands on Particles Physics”, International Masterclasses
Willkommen bei den
Masterclasses!
Wie arbeitet ein
Teilchenphysiker?
Masterclasses, St. Afra, 18.5.2009
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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. Afra, 18.5.2009
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Auf den Spuren der
Elementarteilchen
Philipp von Weitershausen
Überblick Teilchen und Kräfte
Identifikation
LHC/ Atlas/ CMS
Z-Zerfälle
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
Wie ist die Materie aufgebaut?
1/10.000.000
~ 0,01 m
Kristall
10-9 m
Molekül
1/10
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?
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Das Elektron, e
1897 von J.J. Thomson entdeckt
-31
Masse m= 0,5 MeV = 9,109·10
kg
Ladung q= -1·e
keine innere Struktur → tatsächliches
Elementarteilchen, das nicht weiter
geteilt werden kann?
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Das Myon, µ
1937 in der Höhenstrahlung entdeckt
Höhenstrahlung: Teilchen aus dem
All treffen auf Atmosphäre
→ Teilchenschauer entsteht
Ähnliche Eigenschaften wie Elektron
-6
ABER: instabil, zerfällt nach 2,2·10 s
schwerer, mµ- = 100 MeV (= 200 me-)
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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)
-13 s
sehr kurze Lebensdauer: 5·10
Trotzdem: ähnliche Eigenschaften wie Elektron
e-, µ-, τ- gehören zur Gruppe der Leptonen
(griech.: leichtgewichtig)
! Masse des Tau
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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
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Das Lepton-Set
→ jedem geladenen Lepton wird ein Neutrino zugeordnet
Es entsteht ein Ordnungsschema:
Einteilung der Leptonen in drei Familien/Generationen.
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Warum zerfallen Myon- und TauLepton?
• Beide Leptonen haben große Masse, aber sonst gleiche Eigenschaften
wie das Elektron.
→ Umwandlung in „energetisch günstigeren Zustand“
Zerfallsdiagramm für µ- → νµ + e- + νe
Beachte:
Ladungserhaltung
Leptonzahlerhaltung
Ähnlich für Tau-Lepton
τ- → ντ + e- + νe
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Was ist mit Proton/Neutron?
In den 1950ern: Entdeckung vieler Teilchen (“Teilchenzoo”)
1964 Erklärung von Murray Gell-Mann: es gibt kleinere,
elementare Teilchen, die Quarks
D.h. 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 ist aus u-,d-Quark und Elektronen
aufgebaut, die Atomkerne und Atome bilden.
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Aufbau der Materie
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Vollständiger Satz der Bausteinteilchen
Alle Teilchen sind punktförmig ( < 0.001 fm)
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Gibt es vielleicht mehr Generationen?
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Die Massen der Elementarteilchen
1995: TeVatron, FNAL, Chicago
Entdeckung des Top Quarks (Masse: ~173 GeV ! )
(Massen in MeV)
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Konzept der Wechselwirkungen
Wechselwirkung:
Kraftwirkung zwischen Teilchen
Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion
4 fundamentale Wechselwirkungen
Gravitation (Schwerkraft)
S
Elektromagnetismus
Schwache Wechselwirkung
N
Starke Wechselwirkung
q
q
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n
n pp
n
n
np
n
pn np
pp
ppn p
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Prinzip von Kraftwirkungen
Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung
Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren
Wechselwirkung
Wechselwirkung erfolgt über Austausch von
Botenteilchen
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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
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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
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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
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Die schwache Kraft
Ladung: schwache Ladung (I1, I2, I3)
Arten: 1 Ladungsart: „Zahlentriplett“
0
+
Botenteilchen: W , Z , 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
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Die starke Kraft
Besonderheit:
Gluonen (Botenteilchen) tragen ebenfalls
Farbladung, können dadurch auch
miteinander wechselwirken
es gibt keine freien Farbladungen
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Teilchen und Kräfte
Neutrinos wechselwirken sehr selten (nur über schw. WW)
(999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen
Erddurchquerung)
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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
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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)
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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
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Unbekanntes Objekt
Projektil: Basketbälle
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Unbekanntes Objekt
Projektil: Tennisbälle
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Unbekanntes Objekt
Projektil: Murmeln
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Mikroskope der Teilchenphysik:
Beschleuniger
Hat jeder zu Hause!
• Funktionsprinzip:
Simulation
• Linearbeschleuniger:
Fermilab, Chicago
(in Betrieb)
DESY, Hamburg
(in Planung)
Masterclasses,
St. Afra, 18.5.200923.04.09
Masterclasses,
St. Benno-Gymnasium,
31
Bis 2000: e-e+ Vernichtung bei CERN
Strahlenergie Ee= 40-100 GeV
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Der Large Hadron Collider LHC
Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen, Umlauffrequenz 11 kHz
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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
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Ein Blick in den Tunnel
Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu
-19 Metern
Strukturen und Abständen von 10
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
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35
In Dresden: ATLAS Experiment, LHC
Jede Teilchenart hinterlässt
bestimmte Kombination von
Signalen in den Komponenten
170 Universitäten und
Institute aus 35 Ländern
Größenvergleich
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Zwiebelschalenartiger
Aufbau verschiedener
Komponenten
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Teilchenidentifikation = Detektivarbeit
Feststellbare
Teilcheneigenschaften:
aus Quarks („Hadronen“)
elektr. geladen/ ungeladen
leicht/ schwer
Zwiebelschalenartiger Aufbau
verschiedener Komponenten
Jede Teilchenart hinterlässt
bestimmte Kombination von
Signalen in den Komponenten
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Mehr Durchschlagskraft für: - schwere Teilchen
- schwächere Wechselwirkung
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Schnitt durch den CMS Detektor
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39
Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jet
e-p Kollisionen bei HERA am DESY
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Die Augen der Teilchenphysik:
Detektoren
CERN, Genf,
bis 2000
Elektronische Bilder
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Z “Zerfälle“
Das Z Teilchen ist nicht stabil
-25s (!) in andere Teilchen
Wandelt sich nach 3·10
um
eZ0
Z0
Z0
qq
τ+
τ-
µ+
µ-
e+
e-
νν
e+
Zeit
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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
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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
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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
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Auf der Suche nach der „Weltformel
heutige
experimentelle
Grenze
Fortschritt der Physik
Masterclasses,
St. Afra,
18.5.2009
Zurück zum
Urknall
46
Schlussübersicht
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47
Viel Spaß bei den
Übungen!
Masterclasses, St. Afra, 18.5.2009
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