Elementarteilchenphysik RWTH - Server der Fachgruppe Physik der
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T.Hebbeker 10/2007 Elementarteilchenphysik II RWTH WS 2007/08 Thomas Hebbeker Markus Merschmeyer, Arnd Meyer „verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält“ ... und die Evolution des Universums Wiederholung Grundlagen Elementarteilchenphysik I Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Astroteilchenphysik / Kosmologie V 1.0 20071007 T.Hebbeker 10/2007 Inhalt Wiederholung Grundlagen Elementarteilchenphysik I Materieteilchen und Wechselwirkungen Detektoren und Beschleuniger Symmetrien und Erhaltungssätze Eichtheorien Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Astroteilchenphysik / Kosmologie Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems T.Hebbeker 10/2007 14 2 0 < 2 eV (Sonne →Erde: 6 ⋅10 / m / s ) -1 0.5 MeV Neutrino Elektron up-Quark 2/3 5 MeV down-Quark -1/3 10 MeV (3 „Farb“-Varianten) (nicht „direkt“ beobachtbar) Kerne: Proton (938 MeV) = u u d, (Neutron), He, Li, ...., Mesonen = q q Elementarteilchen mit Spin ½ (Fermionen) elementar: punktförmig/keine innere Struktur (heutige Messgenauigkeit ~ 10 −18 m ) Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung: ν ↔ν − e ↔e + u ↔ u ... T.Hebbeker 10/2007 Die 4 Kräfte/Wechselwirkungen erfahrbar: a) Bindungsphänomene Gravitation: b) Dynamik: Streuprozesse, Zerfälle vernachlässigbar im Mikrokosmos Elektromagnetische WW: a) Atom b) e+ p →e+ p (elast. Streuung) Schwache WW: a) - b) d → u eν (n → p eν ) (Beta-Zerfall) Starke WW: a) Nukleonen im Kern Quarks im Nukleon b) p+n→d (Fusion zu Deuteron) Stärke und Reichweite der Kräfte T.Hebbeker 10/2007 Zu schwach für direkte Messungen Das Standardmodell der Teilchenphysik T.Hebbeker 10/2007 viele Teilchen Materie: Spin ½ - Fermionen: instabil! Leptonen: Quarks: Wechselwirkungen: Spin 1 – Eichbosonen: elektroschwach: stark: Photon γ masselos Z-Boson Z 91 GeV W-Boson W+ W- 80 GeV Gluon g masselos −18 ( 10 m) Experimentelle Daten werden akkurat beschrieben! Die fundamentalen Fermionen Nobelpreise: 1995 Reines 1988 Steinberger et al 1995 Perl 1990 Friedmann et al 1976 Richter, Ting 2002 Davis, Koshiba 2 eV 2 eV 2 eV T.Hebbeker 10/2007 Entdeckung des top-Quarks T.Hebbeker 10/2007 ! Fermilab, 1995 CDF, D0 p p 1800 GeV m = 170.9 ± 1.9 GeV (Okt 2007) Baryonen Mesonen Hadronen = Quarkbindungszustände T.Hebbeker 10/2007 Hadronen im Quarkmodell SU(3)-Flavorsymmterie Mesonen Baryonen T.Hebbeker 10/2007 T.Hebbeker 10/2007 Beschreibung der Wechselwirkungen Feynman-Diagramme: Visualisierung und Berechnung von Wahrscheinlichkeiten Beispiele: Elastische Elektron-Quark-Streuung (elm. WW): Photon = `virtuell´ ! t Kräfte: Austauschteilchen mit Spin 1 (Bosonen) Erzeugung eines Quark-Antiquark-Paares in der e + e − -Annihilation (elm.WW) Photon = `virtuell´ ! T.Hebbeker 10/2007 Die Wechselwirkungen im Mikrokosmos Elektroschwache WW: Nobelpreise 1979, 1999 Glashow, Salam, Weinberg `Vertex´: Kopplungsstärke g (z.B. el. Ladung) t‘Hooft, Veltman Wahrscheinlichkeit Bosonmasse M: Reichweite Boson WW M Photon g elm. 0 Arten τ g R Partner ~ 0.1 ∞ Gel. Teilchen W-Boson schwach 80.4 +10 −25 s Z-Boson schwach 91.2 Gluon g stark 0 8 Farbkomb. 10 −25 s ~ 0.1 ~ 0.1 ~ 0.001 fm ~ 0.001 fm alle alle ~ 0.3 ~ 1 fm ! Quarks T.Hebbeker 10/2007 Methoden der experimentellen Teilchenphysik N& = L σ Werkzeuge: • Teilchenbeschleuniger • Teilchendetektoren Unschärferelation: Δx ≈ 1 / E 200 MeV ↔ 1 f Studium der Kräfte bei hohen Energien: (Big Bang!) Neue schwere Teilchen (Masse m): HOHE ENERGIE ! Wechselwirkung von (gel.) Teilchen mit Materie E E − ΔE T.Hebbeker 10/2007 Jeder Teilchennachweis via elektromagnetische Wechselwirkung! Teilchendetektoren Spurdetektoren: T.Hebbeker 10/2007 Nobelpreis 1992 Charpak Geladene Teilchen werden im Magnetfeld abgelenkt. Ionisation des Gases. Elektronen bewegen sich im elektrischen Feld zum Draht. Ortsauflösung ~ 0.1 mm Aus Krümmung folgt Impuls Kalorimeter: In Materie enstehen Sekundärteilchen, die das Material anregen. Das entstehende Licht wird nachgewiesen und ist ein Maß für die Energie. Energieauflösung ~ Prozent Universaldetektoren T.Hebbeker 10/2007 Nachweisbar: langlebige Teilchen mit elm. und/oder starker Wechselwirkung Viele Teilchen sind kurzlebig Nachweis nur über ihre Zerfallsprodukte T.Hebbeker 10/2007 CMS – Detektor 12.500 Tonnen 80 Mio Detektorelemente 1000 Teilchen 40 Millionen mal pro Sekunde μ Myon Supraleitende Magnetspule CERN 15 m Magnetfeld 4 T Myon Magneteisen Querschnitt im Aufbau 2006 T.Hebbeker 10/2007 Teilchenkollisionen Teilchensorten: p, e und Antiteilchen s = 2mE Kerne s = 4E 2 ρ = 3.3m p / GeV B /T T.Hebbeker 10/2007 Grosse Teilchenbeschleuniger 7 9 8 LHC Strahlenergie 7 TeV Supraleitende Magnete 8T 2K 14m T.Hebbeker 10/2007 Drehimpulserhaltung –> Kombination von Drehimpulsen Clebsch-Gordon Symmetrieverletzungen: P, C T.Hebbeker 10/2007 Schwache WW Eichtheorien – Beispiel QED Freies Teilchen: + lokale Eichinvarianz unter Phasentransformation U(1): T.Hebbeker 10/2007 T.Hebbeker 10/2007 Inhalt Wiederholung Grundlagen Elementarteilchenphysik I Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Elektromagnetische Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Higgs Oszillationsphänomene Neue Teilchen Astroteilchenphysik / Kosmologie Elektromagnetische Wechselwirkung Bindungszustand: H-Atom: erlaubt: Erhaltungssätze: Ladung (immer), Teilchensorte (elm. WW) verboten: T.Hebbeker 10/2007 Feynman-Regeln QED T.Hebbeker 10/2007 Berechnung elektromagnetischer Prozesse T.Hebbeker 10/2007 Starke Wechselwirkung T.Hebbeker 10/2007 Meson =qq Isolierte Quarks gibt es nicht! Beobachtbar sind nur „farbneutrale“ Kombinationen Bindungszustand: Baryon = q qq Gluon = Farbe+Antifarbe Zerfall: Starke WW: Nobelpreis 2004: Gross, Politzer, Wilczek Erhaltungssätze: Quarksorte, Farbe Quantenchromodynamik nichtabelsch ! SU(3)-Farbsymmetrie T.Hebbeker 10/2007 Nukleonstruktur T.Hebbeker 10/2007 Schwache Wechselwirkung Kollisionsereignisse: Zerfälle: W-Austausch: Teilchenart ist NICHT erhalten ! T.Hebbeker 10/2007 T.Hebbeker 10/2007 Symmetrieverletzungen (schwache WW) Spiegelsymmetrie P Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie C T verletzt! (1957) aber: Kombination C P : ok! A verletzt! (linkshändiges T ↔ rechtshändiges A) B → J /ψ K s 0 Seit 1964: Experimente: Auch CP ist (schwach) verletzt! 0 ≠ B → J /ψ K s T.Hebbeker 10/2007 Schwache Wechselwirkung – SU(2)xU(1) Eichtheorie =A nichtabelsch Eichbosonen: U (1) : B P-Verletzung! (linkshändig) ± m Mischung SU ( 2) : W 1 ,W 2 ,W 3 Das Higgs-Boson Experiment: T.Hebbeker 10/2007 M W 80.451 ± 0.033 = = 0.8823 ± 0.0004 M Z 91.188 ± 0.002 ABER: Theorie verlangt: Alle Teilchen sind masselos ! Ausweg: zusätzliches Teilchen: Higgs neutral, Spin-0, instabil, (nur) Masse unbekannt bisher experimentell nicht gefunden: M > 115 GeV Das Higgs-Boson T.Hebbeker 10/2007 Messung M W 80.451 ± 0.033 = = 0.8823 ± 0.0004 M Z 91.188 ± 0.002 = 0.8812 ± 0.0014 Rechnung zusätzliches Teilchen: Higgs neutral, Spin-0, instabil, (nur) Masse unbekannt Standardmodell-Theorie (mit Higgs) funktioniert hervorragend ! Higgs – Entdeckung ? 150 GeV CMS T.Hebbeker 10/2007 Mesonoszillationen T.Hebbeker 10/2007 Umwandlungen zwischen Teilchen sind erlaubt, wenn sie nicht verboten sind ! kurzlebig, etwas leichter langlebig Zerfall Oszillation= Interferenz K 0 = 50% K s + 50% K l 1% K s + 99% K l ~ 50% K 0 + 50% K 0 Neutrino-Oszillationen ! M. Koshiba et al. Erdatmosphäre: p + A → π →ν μ Super- Nachweis: ν μ + e → μ → Cerenkov Ergebnis: zu wenige μ , da ν μ →ν τ Kamiokande T.Hebbeker 10/2007 Supersymmetrie Materieteilchen: Spin ½ T.Hebbeker 10/2007 Austauschteilchen: Spin 1 Postulat: Es gibt eine „Supersymmetrie“ zwischen Fermionen und Bosonen: Massengrenzen: > 50 GeV Beispiele: Experimentelle Zu jedem Teilchen existiert Partner mit Spindifferenz ½ Verbindung zur Astrophysik: Photino-Variante („Neutralino“) = Dunkle Materie ? T.Hebbeker 10/2007 Inhalt Wiederholung Grundlagen Elementarteilchenphysik I Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Astroteilchenphysik / Kosmologie Teilchen aus dem Weltall Prozesse im frühen, heissen Universum Evolution des Kosmos Teilchenphysik und Astrophysik T.Hebbeker 10/2007 Zusammensetzung Universum Neutrinos aus Supernova SN 1987A (Magellansche Wolke) T.Hebbeker 10/2007 ! e +ν → e +ν + γ HST 1996 Kamiokande Höchstenergetische geladene Strahlung aus dem Weltall T.Hebbeker 10/2007 Energie bis 100,000,000,000 GeV ! Herkunft E/eV 50 km AUGER Teilchenphysik und Kosmologie T.Hebbeker 10/2007 Dunkle Materie = Neutralino ? (Supersymmetrie) Teilchenbeschleuniger untersuchen Prozesse 10 −10 s nach dem Urknall Materie- AntimaterieAsymmetrie ? Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Kosmos T.Hebbeker 10/2007 Kann die im Labor gefundene kleine T-A-Asymmetrie dies erklären ??? .... wahrscheinlich nicht.... 1) gleich viele T und A 2) Symmetrie wird „gebrochen“: pro 1000000000 A gibt es 1000000001 T gleich viele Teilchen und Antiteilchen 3) 1000000000 Paare zerstrahlen in Photonen, 1 T bleibt übrig fast nur noch Teilchen + Photonen ??? T.Hebbeker 10/2007 Neutrinos aus dem Urknall Inhalt: 35cm 3 Zusammensetzung pro cm 55ν e + 55ν e 55ν μ + 55ν μ 55ν τ + 55ν τ Filmdöschen Kinetische Energie: ~ 0.000001 eV 3 : Kollaps Entwicklung des Universums ? Hat Einstein Recht ? T.Hebbeker 10/2007 Beschleunigte Expansion Z e i t In jedem Szenarium: Urknall ! T.Hebbeker 10/2007 Elementarteilchenphysik II Harris/Grupen T.Hebbeker 10/2007 „Durch unsere Körper strömen in jeder Sekunde viele Milliarden Neutrinos, und wir machen uns Gedanken über die Benzinpreise ?“
