Die Welt der kleinsten Teilchen

Die Welt
Welt der
der kleinsten
kleinsten Teilchen
Teilchen
Die
Woraus ist die Welt, woraus sind wir selbst gemacht?
d r in
a
d
ist
s
Wa
?
Gedanken der griechischen Philosophen:
Demokrit (460-371 v.Ch.) u.a.:
Materie besteht aus unteilbaren,
kleinen Bausteine = atomos (ατομοσ) = unteilbar
Aber auch:
Aristoteles u.a.:
Der Raum ist
kontinuierlich
mit Materie ausgefüllt
Elementares mit Symmetrien (Platon u.a.)
9.Juni 2007
H.Kolanoski, Welt der kleinsten Teilchen - Lange Nacht
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Dass ich erkenne ..
9.Juni 2007
H.Kolanoski, Welt der kleinsten Teilchen - Lange Nacht
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Die Materie
Materie ist
ist „körnig“,
„körnig“, aus
aus Bausteinen
Bausteinen aufgebaut
aufgebaut
Die
Empirische Hinweise auf atomare Struktur
der Materie erst im 19.Jahrhundert:
1) Elemente verbinden sich in immer
gleichen Gewichtsverhältnissen:
16g Sauerstoff + 2 g Wasserstoff = 18 g Wasser
2 : 16 weil Masse(O) = 16 × Masse(H)
2) Druck und Temperatur in Gasen erklärbar durch bewegte Teilchen
Schlussfolgerungen sind
indirekt.
Kann man Teilchen sichtbar
machen?
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Wie kann
kann man
man kleine
kleine Teilchen
Teilchen „sehen“
„sehen“ ??
Wie
E.Rutherford misst die Struktur der Atome durch Streuversuche
a) Rutherfords Erwartung
b) Rutherfords Ergebnis
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Rutherford Applet
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Rutherford‘s Atommodell:
Atommodell:
Rutherford‘s
10-14 m
10-8 m
Kern : Atom = 1 : 10 000 ⇒ das Atom ist leer !
Und das Atom ist nicht unteilbar – es besteht aus Elektronen und dem Kern
und voraus bestehen die…?
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Der Aufbau
Aufbau der
der Materie
Materie aus
aus kleinsten
kleinsten Teilchen
Teilchen
Der
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
Stecknadelkopf:
10-3m = 0,001m
<10-18 m
Quark,
Elektron
Elektron, Quark:
<10-18m = 0,000000000000000001m
mal10
punktförmig?
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Die Struktur
Struktur der
der Materie:
Materie:
Die
Materie ist aus Bausteinen aufgebaut,
Vielfalt der Natur durch Zusammensetzen von Elementarem
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Was die
die Welt
Welt zusammenhält
zusammenhält
Was
Die kleinsten Teilchen sind winzig
oder haben keine Ausdehnung,
der Raum ist leer
Warum wirkt Materie – z.B. ein Tisch – dann massiv?
Teilchen üben Kräfte untereinander aus!
Was sind die
Kräfte,
die die Welt im Innersten zusammenhalten?
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Die fundamentalen
fundamentalen Kräfte
Kräfte in
in der
der Natur
Natur
Die
p n
n
n pn
p
n
n np
p
n
p
p pp p
n
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Teilchen als
als Kraftvermittler
Kraftvermittler
Teilchen
Abstoßend
Anziehend
Austauschteilchen sind die Quanten der Kraftfelder
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Experimente
Experimente
Welche Teilchen ?
Welche Kräfte ?
… Antworten durch Analyse hochenergetischer Teilchenkollisionen:
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9.Juni 2007
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Warum hohe
hohe Energien?
Energien?
Warum
Energie = Kraft × Weg
Energie = Masse × c2
E=mc2
1 Elektronenvolt = Energie eines Elektrons nach Durchlaufen einer Spannung 1 Volt
Energie:
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- Abtasten von Strukturen
- Aufbrechen von Strukturen
- Erzeugung von neuer Materie: E=mc2
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Beschleuniger
Beschleuniger
Simulation
Linearbeschleuniger
Speicherring:
:
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ZEUS
H1
V
920 Ge
n
e
n
Proto
Ele
kt
ron
en
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27.6
GeV
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Quarks im
im Proton:
Proton: Wie
Wie sieht
sieht man
man Quarks?
Quarks?
Quarks
Quark-Jet
Elektron
γ
Proton
nn
a
k
an
m
,
a
Elektron
J
ks
r
a
Qu
“!
n
e
„seh
Quark-Jet
Elektron
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H1-Detektor
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Teilchendetektoren
Teilchendetektoren
Prinzip: Nachweis von WW der Teilchen mit Materie:
e-
z.B. Ionisationsspuren sichtbar machen:
Schwärzung einer Photoemulsion
Funkenkammer
Vieldrahtproportionalkammer
Ortsgenauigkeit ~1 μm
(der ungeschlagene Rekord)
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AMANDA // IceCube
IceCube
AMANDA
Vortrag: „Neutrinojagd am Südpol“ um 23 Uhr
Hochenergetische Teilchen machen Licht, z.B. im Südpoleis
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Erzeugung von
von Quarks
Quarks und
und Antiquarks
Antiquarks aus
aus Energie
Energie
Erzeugung
jet
quark
e+
e–
jet
antiquark
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Materie und
und Antimaterie
Antimaterie
Materie
Entdeckung des Positrons = Antielektron
Symmetrie der Materie und Antimaterie:
Teilchen mit gleicher Masse, aber umgekehrte Ladungen
Teilchen-Antiteilchen entstehen als Paar aus Energie
und vernichten sich als Paar
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Systematik in
in der
der Welt
Welt der
der Teilchen
Teilchen
Systematik
Systematik ⇔ Symmetrien
Warum 3?
3 Familien von Quarks und Leptonen
Brauchen nur 1.Familie für die Atome:
Proton=uud, Neutron=udd, Elektron
!?
Ist das alles?
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+ Kraftteilchen γ, W±, Z0, 8 Gluonen, Graviton
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HIGGS-Teilchen
HIGGS-Teilchen
Die Teilchen in den 3 Familien
unterscheiden sich nur in ihrer Masse.
Schöne Symmetrie, wenn alle Teilchen keine Masse hätten.
Warum haben die Teilchen Masse?
Antwort der Theoretiker: Higgs-Teilchen
„gibt“ allen Teilchen Masse
Wie kann man das verstehen????
Masse ⇔ Trägheit
Der britische Wissenschaftsminister wollte das auch verstehen,
bevor er das Geld für den „Large Hadron Collider“
locker macht ……..
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Wie die
die HIGGS-Teilchen
HIGGS-Teilchen träge
träge machen
machen
Wie
Party: Gäste erwarten
Angela …
Angela kommt –
Wellenbewegung in Richtung Tür
Masse ⇔ Trägheit
Gäste = Higgs-Feld
Angela = massives Teilchen
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Gäste suchen die Nähe
von Angela
Angela wird unbeweglich –
bekommt
Masse
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Large Hadron Collider im CERN/Genf
Suche nach
• dem Higgs-Teilchen
• nach Supersymmetrie
(→ Dunkle Materie?)
• Extra-Dimensionen …
ATLAS detector
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Vortrag:
„LHC - das neue Werkzeug der Teilchenphysik “
um 20 Uhr
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Suche nach
nach ‚Extra-Dimensionen‘
‚Extra-Dimensionen‘
Suche
Mini
Schwarzes
Loch
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Offene Fragen
Fragen
Offene
Das Standardmodell der Teilchen und Kräfte
wurde mit höchster Präzision immer wieder bestätigt.
Trotzdem wissen wir, dass es nicht alle Fragen beantworten kann.
Zunächst:
Das Higgs-Teilchen muss noch gefunden werden
.. und dann:
Warum gibt es 3 Familien?
Warum ist die Ladung des Protons = -Ladung des Elektrons?
Was ist die „Dunkle Materie“ und die „Dunkle Energie“ im Kosmos?
das Vakuum ist nicht Nichts!!!
Warum gibt es unterschiedliche Kräfte, gibt es die Urkraft?
Warum, warum, warum
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……
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Die Vereiniung
Vereiniung der
der
Die
Kräfte
Kräfte
Big Bang
10
-43
1019 GeV
s
10
-37
1015 GeV
V
100 Ge
s
-10
10 s
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Das Ziel:
Ziel: die
die Welt
Welt verstehen
verstehen ….
….
Das
vom Kleinsten …
CH
„L
d
e
h
c
l
:
i
trag der Te
r
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V e ug
r k z U hr
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u
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u
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n
sik
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h
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….bis zum Größten
„V
on
+ Kraftteilchen γ, W±, Z0, 8 Gluonen, Graviton
+ Higgs
exp
lod
- A ieren
V
d
st r
ono en St ortra
mie ern g:
mi en u
um t Ga nd s
22 mm chw
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Uh ast
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r
L
l en
“ öcher
Vortrag: „Neutrinojagd am Südpol“ um 23 Uhr
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n
…. dabei
dabei das
das Wichtige
Wichtige nicht
nicht vergessen
vergessen ….
….
….
Neugierde
Staunen
Offenheit
für Neues
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… das
das war‘s
war‘s
…
… vom Großen zum Kleinen …
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