Zentrale Konzepte der Teilchenphysik und Gedanken zur

Zentrale Konzepte der Teilchenphysik
und Gedanken zur Umsetzung im Schulunterricht
Michael Kobel
TU Dresden
Netzwerk Teilchenwelt
13.03.2013
Fortbildung Meißen, Michael Kobel
I. Grundsatzbetrachtungen
II. Teilchenphysik Konzepte für die Schule
II.1. theoretische Grundlagen
II.2. experimentelle Methoden
Pause
II.3. Higgs und Teilchenmassen
III. Kontext im Alltag
I. Grundsätzliche Betrachtungen
• Stärken der Teilchenphysik
•
•
•
•
Faszination der fundamentalen Fragen
Faszination der Begriffe (Urknall, Antimaterie)
Faszination der experimentellen Aufbauten (LHC)
Grundlagenforschung als Kulturgut und intellektueller Gewinn
• Herausforderungen
•
•
•
•
•
Teilchenphysik in Schulcurricula wenig vertreten
Suche nach Antworten auf noch nie selbst gestellte Fragen
Große Zahl neuer Begriffe in kürzester Zeit
Viele neue Konzepte und Vorstellungen
Grundlagenforschung ohne Alltagsbezug?
Wie vorgehen?
•
• Historisch?
• Meilensteine
der Theorie:
• unzählige
Experimente…
• Schafft man
nicht mal an
der Uni !
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1917:
NOETHER:
Symmetrietheorem
1927-1930: DIRAC, JORDAN, WIGNER, HEISENBERG, PAULI, FERMI:
Quantenelektrodynamik QED
1932:
FERMI:
Fermi-Theorie der schwachen Wechselwirkung
1933:
YUKAWA:
Mesonentheorie zur starken Wechselwirkung
1941:
PAULI
Eichtheorie der QED
1949:
FEYNMAN, TOMONAGA, SCHWINGER
Renormierung und Feynman-Diagramme
1961:
GLASHOW
Elektroschwache Mischung und Eichtheorie
1964:
GELL-MANN, ZWEIG
Quarks
1965:
HAN, NAMBU, GREENBERG
starke Farbladung
1964-1967 HIGGS, BROUT, ENGLERT, KIBBLE, HAGEN, GURALNIK
Spontane Symmetriebrechung zur Massenerzeugung
1967-1968 SALAM, WEINBERG
Standardmodell der Elektroschwachen Wechselwirkung: QFD
1971
‘T HOOFT, VELTMAN
Beweis der Renormierbarkeit des Standardmodells
1973
GROSS, POLITZER, WILCZEK, FRITZSCH,WEINBERG
Standardmodell der Starken Wechselwirkung: QCD
• Einstiegsvorschlag: Kosmologie
1. Konkretes Beispiel, Anknüpfen an Bekanntes: Elektron
2. Das große Bild der Kosmologie
3. Wissenschaftliche Ziele
I.1. Das Elektron und die Kosmologie
Kleinere W-Masse
Tatsächlicher Ablauf
Kleinere d-Quarkmasse
Kleinere Elektronmasse
View Online: http://www.tricklabor.com/de/portfolio/was-waere-wenn
Download: : www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen
• Massen von Elementarteilchen
bestimmen den Ablauf der Kosmologie
• Wissenschaftler wollen zunächst verstehen, was Masse ist,
um danach versuchen, die Werte zu verstehen
Bedeutung der Elektronmasse (bekanntes Teilchen!)
Gelegenheit zur Diskussion mit Jugendlichen(was wäre wenn?)
® Elektron: Einfluss auf Größen- und Energieskala der Atome
(Moleküle, Festkörper, Lebewesen, …)
®
1
Elektronmasse (und Stärke a em = 137,0359991 ...
der elektromagnetischen Wechselwirkung)
regieren atomare Energien und Radien
®
Bindungsenergie steigt mit me
2
E0 (me ) = - 12 Z 2a em
me c 2
2
H - Atom : - 12 a em
me c 2 = 13,6 eV
®
Größe der Atomhülle fällt mit 1 / me
r0 (me ) =
h
Za em me c
6
I.2. Teilchenphysik und Kosmologie (Energie <-?-> Zeit )
Was ist die Verbindung <-?-> :
TEMPERATUR ! (Kompression = Erwärmung)
Suche nach der Grundidee des Universums („Weltformel“)
S
l
S
S
S
LHC:
TeilchenNachstellen der
beschleuniger:
Prozesse zwischen
Elementarteilchen
10-12 s nach dem Urknall
LHC
LEP
http://lhc-milestones.web.cern.ch/lhc-milestones
Geschichte der Physik
Zurück zum Urknall
S
I.3. Wissenschaftliche Ziele: (Astro-)Teilchenphysik
• Zeit:
- Untersuchung von Einzelprozessen bei 10-12 Sekunden nach dem Urknall
- Untersuchung der “Ursuppe” bei 10-6 Sekunden nach dem Urknall
- “Klang” des Universums 380 000 Jahre nach dem Urknall
-…
• Raum:
- Welche Teilchen haben noch eine Unterstruktur ?
- Welche Teilchen sind elementar?
- Gibt es mehr als 3 Raumdimensionen?
-…
• Materie:
- Gibt es neue schwerere Elementarteilchen?
- Was ist Dunkle Materie?
- Woher bekommen Teilchen ihre Masse?
- Was ist überhaupt Masse?
-…
ENERGIE ist der Schlüssel zu …
zu Raum:
zu Masse:
zu Zeit:
II.1 Das Theoriegebäude
• Theorie = „Standardmodell der Teilchenphysik“
• Was es sicher nicht ist:
Sogar der große Enrico Fermi sagte einmal zu
seinem Studenten (und zukünftigen
Nobelpreisträger ) Leon Lederman,
"Junger Mann, wenn ich mich an all die
Namen dieser Teilchen erinnern könnte, wäre
ich besser Botaniker geworden!"
Standardmodell = Elementare Bausteine ?
1. Elementare Bausteine sind eine herausragende experimentelle Erkenntnis
x eine weitere Substruktur ist „so gut wie“ ausgeschlossen !
2. Aber: sind nicht die theoretische Grundidee des Standardmodells
x Anordnung weder vorhergesagt, noch bisher nachträglich verstanden !
3. Bergen außerdem Gefahr des reines Auswendiglernens
4. Die Elementarteilchen sind die „Spieler“ in einer Welt, in der sich
die „Spielregeln“ = Wechselwirkungen aus Symmetrien herleiten lassen
Zentraler Begriff 1: Wechselwirkung
• Pierers Universallexikon:
• Wechselwirkung, das Verhältnis
zweier gleichzeitig vorhandener
Gegenstände, vermöge dessen sie
füreinander in gewissen Beziehungen
zugleich als Ursache und als Wirkung
aufgefasst werden.
• In der Teilchenphysik sogar mehr als das
• Alle(!) Vorgänge in der Natur lassen sich zurückführen auf nur
4 Fundamentale Wechselwirkungen
• 3 dieser Wechselwirkungen werden im Standardmodell erklärt
• Diese vereinigen die Phänomene „Entstehung“, „Kraft“ u. „Zerfall“
Einteilung (Aufgabe für Jugendliche)
• Welche „Kräfte“ gehören zu welcher fundamentalen Wechselwirkung?
•
•
•
•
•
•
•
Schwerkraft
Kernkraft
Coulomb-Kraft
Reibungskraft
Muskelkraft
Motorkraft
…
• Woran könnte es liegen, dass wir
von manchen Wechselwirkungen
nichts „merken“? Von welchen?
• Welche können wir direkt spüren?
• Gravitation
• Elektromagnetismus
• Welche der beiden ist stärker?
Ein Beispiel:
• Noch ein Beispiel:
www.fnal.gov/pub/today/archive_2010/today10-04-15.html
FCoulomb
= 2.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000
FNewton
Ordne die Stärke der Wechselwirkungen !
• Verbreiteter Fehler:
z.B. www.drillingsraum.de/4_grundkraefte_physik/4_grundkraefte_physik.html
(keine der schlechtesten Physikseiten…!)
• Dies geht nicht eindeutig!
Die Ordnung der WW-Stärke hängt vom Abstand ab!
Kernphysik
Teilchenphysik
„Wir“
www.schmunzelmal.de
Fundamentale Wechselwirkungen
Jede Wechselwirkung (= Kraft+Umwandlung) hat eigene Botenteilchen
Boten nur sendbar, wenn entsprechende Ladung vorhanden
Wechselwirkung
Botenteilchen
Ladung der Materieteilchen
Starke
Gluonen g
Starke „Farb“-Ladung
„Rot“, „Blau“, „Grün“
Schwache
„Weakonen“
(W+,W-,Z)
Schwache „Isospin“-Ladung
e-
W
I3 =
Elektromagnetische
Photonen g
Gravitation
Gravitonen ? Wahrscheinlich!
æ + 1/2 ö
çç
÷÷
è - 1/2 ø
n
Elektrische Ladung
Q = -1, + ⅔, -⅓, …
Masse ??? Eher nicht…
Grundlegende Erkenntnis des „Standardmodells“
Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung
Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung
Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen
Abstoßend
Anziehend
www.physicsmasterclasses.org/exercises/unischule/baust/bs_6fram_lv123.html
Zentraler Begriff 2: Ladung
Ladung …
• … ist kein Stoff !
• … beschreibt die Sensitivität von Teilchen
bezüglich der jeweiligen Wechselwirkung
Eigenschaften:
• Ladungen sind Additiv
Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B)
• Ladungen kommen nur in Vielfachen einer
kleinsten Ladung vor
• Ladung ist erhalten,
d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren
Neues über Ladung
• Es gibt 3 völlig verschiedene Ladungen (für jede WW des Standardmodells eine)
• Diese können Vektorcharakter haben (!)
• Die Teilchen ordnen sich bezüglich dieser Ladungen in „Multipletts“
•
Warum genau diese Anordnung im „Periodensystem der Teilchen“? à immernoch unverstanden!
Elektrische
Ladung Q
Schwache
Ladung IW3
+2/3
+1/2
-1/3
-1/2
0
+1/2
-1
-1/2
Starke
Ladung
Blau
Grün
Rot
www.teilchenphysik.de/teilchenphysik/elementarteilchen
www.weltmaschine.de/physik/standardmodell_der_teilchenphysik
Materie und fundamentale Bausteine
1/10.000.000
0,01 m
Kristall
>
<
1/10
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
Quark
Elektron
• Aufbau der stabilen Materie nur aus der ersten Familie
• Zwei „Quarks“ zu Protonen und Neutronen gebunden
• Down: d (Q= -1/3)
• Up:
u (Q= +2/3)
• Zwei „Leptonen“
1 fm
• Elektron e: gebunden in Atomhülle
• Neutrino n: ungebunden, entsteht in Kernumwandlungenen
(Kernfusion Sonne, Radioaktive Kernzerfälle)
m
Wie klein sind Elementarteilchen?
Proton
Neutron
Quarks
Elektron
Atomkern
ZuckerMolekül
Fußballfeld
Atom
Fliege
Mensch
< 10-18 m
10-18
10-15
10-12
10-9
Ausdehnung in m
10-6
10-3
1
103
:10 :10 ·10 ·10
23
Materialien des Netzwerk Teilchenwelt
• „Steckbriefe“ der Teilchen (hier: Materieteilchen)
• Gelegenheit zu eigenen Aktivitäten
• ordnen, diskutieren, vertraut werden
Stabile Materie in
unserer Umgebung
besteht nur aus Teilchen
der ersten Generation:
Elektronen, Up- und
Down-Quarks.
Von ihnen gibt es je
zwei massereichere,
instabile „ Kopien”
mit gleichen Ladungen
(2. und 3. Generation).
Antimaterie
• Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit
umgekehrten Vorzeichen von allen Ladungen
• Sonst sind alle Eigenschaften
(Masse, Lebensdauer) gleich
• Aus Botenteilchen können paarweise
Materie- und Antimaterieteilchen entstehen
• Umgekehrt können sie sich paarweise wieder
zu Botenteilchen (nicht: „Energie“) vernichten
mZ
2Ee
Antimaterie
Zu jeder Materieteilchensorte
gibt es eine Antiteilchensorte
mit gleicher Masse und
entgegengesetzten
Ladungen.
26
•
…überdecken14(!) Größenordnungen
• n ~ Sandkorn
•
•
•
… sind eine Eigenschaft von
•
•
•
Teilchen ohne Unterstruktur
(ziemlich sicher für Fermionen)
d.h. sind keine Frage von „Größe“
… haben ein charakteristisches Muster
•
•
•
e ~ Auto
t ~ Ozeandampfer
( kilo-tonnen )
Die Massen der Elementarteilchen…
In bezug auf Familien (auch: „Generationen“)
In bezug auf Neutrinos
(~ 1010 mal leichter als ihre Partner)
Warum? à Higgs ? (später)
xxxxx
xxxxxxxx
-1
-2
xxx
-3
The Dawn of Physics Beyond the Standard Model,
by Gordon Kane, Scientific American, June 2003
27
Beispiel 1 für zweite Teilchen-Familie: Myon
primäres Teilchen trifft auf
Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe
p, He, ...
p
Atmosphäre
g
n
p
m
p
e
m
Entdeckt: 1937-1947
wie e, nur 200x schwerer
Fuji
3776 m
nm
g
nm
e
nm
ne
Kosmische Myonen im Netzwerk Teilchenwelt
• Zwei Experimente zum Nachweis kosmischer Myonen:
Kamiokanne und Szintillationszähler
• Zur Ausleihe nach vorheriger Fortbildung
• Geeignet für Projektwochen und kleinere Gruppen
www.teilchenwelt.de/angebote/astroteilchen-experimente
Beispiel 2: Elektron, Myon und Tauon
•
Messung von Zerfällen des Z0 Teilchens mit echten Daten des LEP
•
Analogie: Löcher im Wassereimer entsprechen „Zerfallskanälen“
•
Für einzelnes Wassermolekül ist Austrittsloch nicht vorhersagbar
Für einzelnes Z-Teilchen ist Zerfallskanal nicht vorhersagbar
•
Entleerungsdauer à Eigenschaften der Löcher (Größe)
Zerfallsdauer à Eigenschaften der Teilchen (Kopplung ans Z über schwache Ladung)
•
Verhältnis der Austrittsmengen
à Größenvergleich der Löcher
Verhältnis der Zerfallshäufigkeiten
à Größenvergleich der schwachen Ladungen
•
Z0
Lernziel / selbstständige Interpretation:
à Vergleich der Häufigkeiten:
•
e, µ, t haben gleiche Eigenschaften
•
Quarks kommen 15 Mal = 5x3 Mal „zu häufig“ vor
à 5 mögliche Sorten x 3 starke Farbladungen
Eigene Messaufgabe für Jugendliche
Z0-Zerfall in ein Tau-Antitau-Paar
Z0-Zerfall in ein Elektron-PositronPaar
Z0-Zerfall in ein Myon-AntimyonPaar
Z0-Zerfall in ein Quark-AntiquarkPaar (aus denen Jets entstehen)
Ereignisbilder eines LEP-Experimentes
1000 solcher Ereignisse werden von Jugendlichen
(100 je Gruppe) analysiert und kategorisiert
Messergebnisse von 20 Jugendlichen
Z0
In Einklang mit
LEP Ergebnissen, publiziert in:
Physics Reports, Mai 2006
Heutiges “Standardmodell“ der Teilchenphysik (1961-73)
• Fundamentale Wechselwirkungen zwischen Teilchen
• erfordern Botenteilchen (Austauschteilchen)
• sind aus Symmetrien ableitbar !!
• Bausteine der Welt
• Träger von Ladungen
• Spielen nach Regeln der entsprechenden Wechselwirkungen
• Massenmechanismus
• Symmetrien verbieten Teilchenmassen !!
• Herkunft der Teilchenmassen noch unbekannt
• Hypothese: “Higgsmechanismus“, Nachweis: Higgs-Teilchen
• Errungenschaft des Standardmodells
• beschreibt *alle* bekannten Prozesse
• Ist (derzeit) DIE grundlegende Theorie der Physik
Eindeutige Vorhersagen
• Theorievorhersage:
•
•
•
•
Eindeutiges Set von fundamentalen “Vertices”
für jede Wechselwirkung
Bilden Grundlage von Feynman-Diagrammen
zur Beschreibung von Reaktionen,
die auf Abständen << fm ablaufen
Alle Prozesse sind Kombination
solch fundamentaler Vertices
Andere Prozesse können nicht stattfinden !
Zeit
z.B. Beta”zerfall” des Neutrons
Anm: Pfeilrichtung ß symbolisiert Antiteilchen
Es läuft trotzdem in der Zeit nach rechts
Beispiel: Kalium 40
• Instabiles Isotop mit 40 Nukleonen
(19 Protonen und 21 Neutronen)
• Zerfällt durch den Betaminus- oder Betapluszerfall
mit Halbwertszeit von 1,28 Mrd. Jahren
• für den menschlichen Körper lebensnotwendig:
• Regelt als Mineralstoff Wassergehalt in den Zellen
• Wichtiger Elektrolyt der Körperflüssigkeit.
• Ca jedes 9000ste Kaliumatom
der ca. 100-150g Kalium in unserem Körper ist Kalium-40.
• Animation:
• Aufgabe für Jugendliche:
• Mit wie vielen Neutrinos pro Sekunde
bestrahlen sie ihre/n Nachbar/in ?
Beispiel: Messung der Z “Zerfälle“
• Das Z Teilchen ist nicht stabil
• Wandelt sich nach 3x10-25s in andere Teilchen um
• Produktion und Zerfall als Feynmandiagramm:
e+
Z0
Z0
Z0
e-
Zeit
Feynmandiagramme und Wechselwirkungen
• Wechselwirkung: „Beide Gegenstände sind Ursache und Wirkung“
(àEinstein: „raumartige“ Ereignisse: beobachterabhängig )
• Umwandlung des Wasserstoff
p
e-
W+
n
p
ne
e-
n
p
W-
n
ne
• Erster Nachweis von Antineutrinos aus Kernkraftwerken
p
`ne
W+
e+
`ne
W-
n
e+
• b+ und b- - Umwandlungen von Kernen
p
W+
n
e+
ne
n
W-
p
e`ne
II.2. Erlernen von Teilchenidentifikation
•
•
•
•
Feststellbare Eigenschaften:
•
•
•
•
aus Quarks („Hadronen“)
elektr. geladen / ungeladen
leicht / schwer
Kenntnis - Voraussetzung:
•
•
•
Teilchenladungen
Teilchenmassen
Teilchensubstruktur
Zwiebelschalenartiger Aufbau
verschiedener Komponenten
Jede Teilchenart hinterlässt
bestimmte Kombination von
Signalen in den Komponenten
Aufgabe: Mustererkennung
Beispiel: Messung von W- Zerfällen
https://kjende.web.cern.ch/kjende/en/wpath.htm
• Diskussion der Asymmetrie in der Häufigkeit von W+ und Wà Struktur des Protons
• Produktionsmöglichkeiten:
q+g à W+X
g+gà W+X
W+
W• Ladungsasymmetrie (weil p = uud )
#W +
#W -
2
1
1
1
• Messung der Jugendlichen:
• Vergleich erste ATLAS Veröffentlichung:
CERN-PH-EP–2010-037 (October 2010)
#W+/#W- = 1.56 ± 0.17
#W+/#W- = 1.52 ± 0.07
Innerste Lage: Spurdetektoren
• Früher z.B: Blasenkammern, Nebelkammern
manuelle und visuelle Rekonstruktion
• Messung des
Impulses über
Spurkrümmung r
im B-Feld
p=QerB
p(GeV/c) = 0.3 Q r(m) B(T)
Materialien vom Netzwerk Teilchenwelt
• Anleitung zum Bau einer einfachen Nebelkammer
à Anleitung und Hintergrundinfos online verfügbar,
www.teilchenwelt.de/material/materialien-fuer-lehrkraefte/selbstbau-einer-nebelkammer
à 10 Nebelkammersets in Dresden ausleihbar
• Heute: digital auslesbar
Beispiel: Zeitprojektionskammer (TPC) in ALICE
Nächste Lage: Elektromagnetisches Kalorimeter
•
Elektromagnetischer Schauer:
•
•
Entsteht bei *leichten* Teilchen
über elektromag. Wechselwirkung
à e und g geben hier
ihre gesamte Energie ab
Nächste Lage: Hadronische Kalorimeter
•
Hadronische Schauer
•
•
•
Nur bei Hadronen, d.h. Teilchen aus (Anti-)Quarks
die mit den Atomkernen im Kalorimeter stark wechselwirken können
Hadronische (Ionisation) und Elektromagnetische (p0 à gg) Komponente
wesentlich unregelmäßiger als elektromagnetischer Schauer
https://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_teilchenid1.htm
II. 3 Massen der Teilchen
Unter Benützung experimenteller Teilchenmassen
beschreibt Theorie der schwachen Kraft alles, z.B.
langsames Brennen der Sonne
p + p à D + e+ + n (Energiegewinn: DE = 0,9 MeV)
Masse des Zwischenzustands mW = 80400 MeV
Rate unterdrückt um ~ (DE / mW)4 > 10-20
Fundamentales Problem
(MeV)
Experim.
Theorie
mW
80400
0
mZ
91200
0
me
mt
0,5
173000
0
0
…
Grund:
schwache Eichsymmetrie
p
Erhaltung
W+
n
ne
e+
Animation: Was wäre wenn…
?
Kleinere W-Masse
Tatsächlicher kosmologischer Ablauf
?????????
Änderung von u-,doder e- Masse
???????
Kleinere Elektronmasse
View Online: www.youtube.com/watch?v=p5cPg62z8xs
Download: : www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen
n
Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2
l
l
n
Erniedrige md – me um 1 MeV/c2
l
l
n
Protonzerfall, nach wenigen Minuten
Keine Sterne, nur neutrale Teilchen (n, g, n)
ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs:
keine Wasserstoff-Atome, n stabil
Ein Ziel des LHC:
l
l
p
e-
Klären, wie Teilchenmassen entstanden sind
Erforschen, wie ihre Werte zustande kamen.
Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden
11.03.13
W+
n
ne
47
Die Ruhemassen der Bausteine
n
Symmetrien erfordern masselose Teilchen
l
l
Masse (MeV/c²)
l
Erhalten Masse erst ~ 10-12 sec nach Urknall
durch „spontane“ Symmetriebrechung
Entsteht Masse durch Kopplung an
„Brout-Englert-Higgs“ Hintergrundfeld?
Was verursacht die riesigen Massenunterschiede ?
3x105 2x1013
1000000
100000
10000
1000
100
10
1
0,1
0,01
0,001
0,0001
0,00001
0,000001
1E-07
1E-08
1E-09
1E-10
1E-11
1E-12
173000
1300
106
90
5
4200
1777
2
0,5
Up Typ
Down Typ
Lepton +/Neutrino
0,000000001?
0
0,00000005
0,000000009
1
2
Familie
3
4
Was ist Masse?
n
“Leeres” Vakuum
l
l
n
Vakuum mit Hintergrundfeld
l
l
l
n
Alle Teilchen sind masselos
bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit
Teilchen werden d. Wechselwirkung
mit dem Feld verlangsamt
Teilchen erhalten effektiv eine Masse
Wert hängt von der Stärke der WW
mit dem Hintergrundfeld ab
Higgs-Teilchen
l
l
quantenmechanische Anregung
des Hintergrundfeldes
notwendige Konsequenz des Konzepts!
Mechanische Analogie zur Higgs Produktion
n
n
n
Luft (~ Hintergrundfeld) normalerweise kaum zu spüren
am Besten erfahrbar, wenn in Bewegung
Objekte hoher Energie erzeugen Anregungen der Luft
Objekte hoher Masse erzeugen Anregung im Hintergrundfeld
= Higgs-Teilchen
Higgs Suche am LHC
n
Higgs Masse unbekannt:
l
Viele Produktionsmechanismen
Viele mögliche Zerfälle
l
Als Funktion der Masse vorhersagbar
l
H à gg
v Empfindlichster Kanal bei mH < 120 GeV
v Zweitempfindlichster Kanal bei 120<mH<130 GeV
v Erwartung kleines Signal bei sehr großem Untergrund
v Zusätzliches Problem:
Überlagerung vieler pp-Kollisionen
Photonen besitzen keine Teilchenspur !
v Kalorimeter-Segmentierung hilft gegen p0 Untergrund
und falsche Kombinationen aus verschiedenen Vertices
•
Extrapolation ergibt Vertex-Zuordnung mit Präzision von wenigen mm
Wenn Photonen aus Higgs-Zerfall,
dann ist dessen Masse berechenbar:
mgg2 =2E1E2(1-cosq)
Gemessenes 2-photon-Massenspektrum
Am 4.7.2012
HàZZà 4 Leptonen (e oder µ)
v „Goldener Kanal“ (praktisch kein Untergrund außer ZZ ohne Higgs)
v Sensitivster Endzustand für 200 GeV<mH<275 GeV
v zweitsensitivster (nach WW) für 130 GeV<mH<200 GeV
v Sehr gute Massenrekonstruktion möglich
Suche nach HàWW, z.B. in W+W-àµ+n e-n
à Messaufgabe für Jugendliche
Konkurrenz anderer Prozesse („Untergrund“)
v Scheinbares WW-Paar W+W- à µ+v µ-v über
Zà µ+µ- und fehlende Energie durch exp. Messunsicherheiten
HàWW: Massenreko erschwert wg. Neutrinos
(Bilder zeigen nur Teilmengen der Daten von 4.7.12.)
v Spin-Korrelation:
• Leptonen aus HàWW Zerfall
bevorzugen kleine DF Öffnungswinkel
W+
H
W+
WW-
e-
ν
ν
μ+
1.lepton
Dfll
v Untergrundprozesse
• Direkte WW ohne Higgs:
•
„flach“ in DF (blau)
Andere WW (z.B. aus top)
o. scheinbare WW (z.B. aus Z):
„ansteigend“ in DF (gelb/grün)
2.lepton
v Suche Überschuss bei kleinen DF
ATLAS Kombination 4.7.2012
v Erwartete und beobachtete Signifikanz eines 125-126 GeV Higgs
gg
WWàℓ+nℓ-n
ZZàℓ+ℓ-ℓ+ℓ- gesamt
Kanal
Erwartung
2.3 s
2.5 s
2.7 s
4.9 s
Beobachtung 2.8 s
4.5 s
3.6 s
6.0 s
v p0 : lokale Wahrscheinlichkeit der Beobachtung
•
unter „nur-Untergrund“ Hypothese:
einzeln:
kombiniert p0 =1,7 x 10-9
Weiterführendes, offene Fragen (optional)
• 3 Familien von Elementarteilchen
• Unterscheiden sich nur durch Masse
• Stabile Materie (p, n, e) nur aus erster Familie
• Warum dann drei ?
• Alle Wechselwirkungen beruhen
auf Ladungssymmetrien
• Beispiel: Symmetrie der
starken „Farb“ladung im Neutron
• Natur: System muss invariant („symmetrisch“)
sein unter Umdefinition der Ladung
• Gluonaustausch sorgt für Erhaltung der Symmetrie
und bindet die Quarks
• Warum überhaupt Symmetrien und warum diese?
• Gibt es weitere Symmetrien ?
• z.B: Supersymmetrie „SUSY“
zwischen Baustein- und Botenteilchen?
59
•
Existieren Supersymmetrische Teilchen?
•
-
Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösen:
Vereinigung aller Kopplungen
Einbindung der Gravitation
“Relativ“ niedrige Higgs Masse
•
Leichtestes SUSY Teilchen stabil
= 23% unseres Universums?
= Dunkle Materie (ca 3000/m3)?
Entdeckung bei LHC möglich!
•
60
Ziele des LHC
Wiederentdecken des Bekannten + Suche nach Neuem!
• Higgs Teilchen
- was ist überhaupt Masse?
• Supersymmetrie
(à Dunkle Materie?)
- nur 4,6% des Weltalls
ist „normale“ atomare Materie !
• zusätzliche
Raumdimensionen?
Kontext im Alltag (2 Beispiele)
Anwendung von Antimaterie:Tumorbekämpfung
ACE Experiment bei CERN
QuickTime™ and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture.
QuickTime™ and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture.
*) Antiproton Cell Experiment
• Nachteile:
Kosten, großer Beschleuniger nötig
Kohlenstoff-Ionen
• Vorteil gegenüber
Bestrahlung mit
Elektronen oder Photonen:
Eindringtiefe gezielt einstellbar
à Hadronen schädigen
nur das Tumorgewebe und
verschonen gesunde Zellen
à geringere Dosis nötig
Photonen
Tumortherapie mit Hadronen
PET: Positronen-Emissions-Tomografie
• Patienten wird eine Flüssigkeit verabreicht, die Positronen
abstrahlt (β+-Strahler)
• Positronen und Elektronen zerstrahlen in
zwei Photonen in entgegengesetzte Richtungen
• Detektierung der Photonen
Detektoren
• Rekonstruktion ihres
Ursprungsorts
• Bildentstehung
im Computer
β+- Strahler
Danke für Ihre Aufmerksamkeit !
Ich hoffe, manche Anregungen waren nützlich, denn:
Schneeschnee.de