Kern-, Teilchen- und Astrophysik 1 - Physik-Department E18
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Kern-, Teilchen- und Astrophysik 1 Reiner Krücken (Experiment) Lehrstuhl E12 – Physik der Hadronen und Kerne Stephan Paul (Experiment) ab Dezember Lehrstuhl E18 – Hadronenstruktur und Fundamentale Symmetrien Wolfgang Hollik (Theorie) Max Planck Institut für Physik Organisatorisches • Die Vorlesung findet Di um 12:15 und Mi um 10:15 statt • Die Vorlesung besteht zu ca. 2/3 aus Experiment und ca. 1/3 Theorie • Es gibt 4 Übungsgruppen (Leitung: Roman Gernhäuser) Mo. 08:30 - 10:00 Di. 14:00 - 15:30 Do. 14:00 – 15:30 Fr. 12:00 - 13:30 PH II - 127 PH 2024 PH 3268 PH 3344 Erste Übung Montag 25.10. • Die Übungsaufgaben werden nicht korrigiert, werden aber in den Übungsstunden im Detail eta besp besprochen. oc e • Anmeldung zu den Übungsgruppen via TUM-Online • Sprechstunde nach Vereinbarung • Webseite mit Vorlesungsmaterial: Link von der E12 Home Page – Vorlesungen 1 Kern-, Teilchen- und Astrophysik 1 1. Einführung Gliederung der Vorlesung • • • • • • • • • • • • • • Einführung und Grundlagen Beschleuniger Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Detektoren Streuung und Formfaktoren von Kernen Grundzüge QED und Dirac Gleichung Streuung hochenergetischer Elektronen am Nukleon Tiefinelastische Streuung, Partonen im Nukleon Quarkverteilung im Nukleon, Quarkmodell Von Quarks zu Hadronen, Hadronisierung und Fragmentation Mesonen, schwere Quarkonia, Quark-Quark Potential Baryonen, Hadronenspektrum Gluonen, Asymptotische Freiheit, Laufende Kopplung Teilchenerzeugung in Hadronen - und Schwerionenkollisionen 2 Literatur • Teilchenphysik – – – – – – B. Povh–Teilche nund Kerne(Springer), 5. Edition H.Frauenfelder+ E.Henley – Subatomare Physik (Oldenbourg) D. Perkins – Introduction to High Energy Physics (Cambridge) B.R. Martin + G. Shaw – Particle Physics (Wiley&Sons) F. Halzen, A.D. Martin – Quarks and Leptons (Wiley & Sons) (Theorie) Klapdor-Kleingrothaus– Teilchenphysik ohne Beschleuniger(Teubner) SS • Kernphysik – – K.S. Kane –Nuclear Physics (Wiley&Sons) Cottingham–Introd. To Nuclear physics (Cambridge) • Angewandte Methoden der Kernphysik – – W.T. Hering – Angewandte Kernphysik(Teubner) ‘99 I.M Tsipernink & D. Bradley – Nuclear Meth. in Science & Tech. • Beschleunigertechniken und Teilchendetektoren – – – – K. Kleinknecht–Detectors for Particle Radiation (Cambridge Univ.) Wille–Physics of Particle Accelerators (Oxford. Univ.) Leo –Techniques for Nuclear and Particle Physics Exp. (Springer) R. Hinterberger: PhysikderTeilchenbeschleuniger(Springer) ’97 • Skript Kern- und Teilchenphysik (Ring, Krücken) 3 Wechselwirkung durch Teilchenaustausch Wechselwirkung durch Teilchenaustausch (aus Povh et al.) 4 Die Bausteine der Welt Die Bosonischen Bausteine Die Träger der Wechselwirkungen www.particleadventure.org 5 Die Fermionischen Bausteine www.particleadventure.org Hadronen Baryonen (eine Auswahl) www.particleadventure.org 6 Hadronen Mesonen (eine Auswahl) www.particleadventure.org Hadronen und Kerne: Energieskalen 7 Geschichte des Universums 10-43 Sek. nach dem Urknall: Der Vorhang hebt sich! Raum und Zeit sind schaumig…. Superstrings: eine ‘Weltformel’ ? Alle Kräfte sind vereint Die Welt ist 10-dimensional Doch nur 4 Dimensionen haben an der Expansion des Raumes teilgenommen, Die anderen Dimensionen sind aufgerollt 8 10-35 bis 10-32 Sekunden nach dem Urknall Inflation: Innerhalb von 10-32 Sekunden expandiert der Raum um das 1050-fache Quantenfluktuationen in der Energiedichte werden verstärkt (3 K Hintergrundstrahlung) Sie bilden die Grundlage für die spätere Entstehung von Galaxien 10-34 bis 10-33 Sekunden nach dem Urknall Ein winziger Überschuss von Materie zu Antimaterie wird erzeugt Aus der 1 in der neunten Stelle hinter dem Komma sind WIR gemacht 9 Bis 10-6 Sekunden nach dem Urknall Suppe aus Elementarteilchen und Austauschbosonen in steter WW Dabei Abkühlung durch räumliche Expansion → Änderung der Stärke der Kräfte Weltall wird transparent für Neutrinos: schwache WW wird zu schwach, Neutrinos sehen andere Teilchen zu selten CERN – Herr der Ringe Ringbeschleuniger g g 8.6 km Beschleungungsstrecke Umlenkmagnete 10 CERN Beschleuniger und der LHC 8 TeV auf 8 TeV Kollisionen... Kollisionen Mp ~ 1 GeV und E = mc2 Eindrücke eines Superdetektors Breite: 44m Durchmesser: 22m Gewicht: 7000 T Zentraler Detektorteil - Rohbau 11 10-4 bis 10-2 Sekunden nach dem Urknall Proton und Neutron kondensieren i aus der d Suppe S von Quarks und Gluonen (Quark-Gluon Plasma) Ansicht eines Protons mit hoher Auflösung 10-2 – 103 Sekunden nach dem Urknall Entstehung der ersten El Elemente: Primordiale Nukleosynthese Es gibt keine stabilen Elemente mit A=5 4He ist Endstation Relevante Größe: Lebensdauer Neutron Die ersten 3 Minuten sind vorüber 12 Messung der Lebensdauer des Neutrons FRM II der TUM Messung der Lebensdauer mit PENeLOPE Protondetektor -40 kV Spule n -10 kV 1m UCN Absorber 1.1 m UCN reflektierende Wand Füllschlitz Puffer Volumen Speichervolumen 700 l 0V 26 13 105 und 109 Jahre nach dem Urknall Nach 105 Jahren: Entstehung der Atome Weltall wird transparent für Photonen Nach 109 Jahren: Entstehung der Sterne und Galaxien Elemententstehung – was macht ein Stern? Kernfusion in Zentrum der Sonne: 4 p 4He + 2e+ + 2ne (+ 26.7 MeV) 14 Licht und Neutrinos von der Sonne… Stimmt das? Farbe repräsentiert Anzahl der rekonstruierten Neutrinoreationen im Wassertank Farbe repräsentiert Wellenlänge des sichtbaren Lichtes SCHWACHE KRAFT ELEKTROMAGNETISMUS Bis jetzt: Entstehung der schweren Elemente Supernovaexplosion p p 15 Kernphysik – die Landkarte der Kerne Anreicherung von schweren Elementen 16 Facility for Antiproton and Ion Research GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt Massenmessungen bei FAIR 17 Unsere Instrumente für große Objekte Paranal VLT Chile (ESO) Universitätsternwarte (LMU) - Wendelstein Das Dunkle Universum 18 Das Dunkle Universum Bullet cluster Baryonische vs. gravitative Materie Verteilung (Gravitationslinsen) Rotationskurven von Galaxien Dunkle Materie: Intensive Suche direkt: Boden-basierte Experimente indirekt: (astrophysikalische) Beobachtungen sehr indirekt (Modell-basierend) Simulationen Was wissen wir und was kommt noch? CRESST Saphir 19 Gammastrahlen-Observatorium Und was war vor dem Big Bang? 20 Relevanz auf allen Skalen 21
