Elementarteilchenphysik RWTH - Server der Fachgruppe Physik der
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T.Hebbeker 04/2007 Elementarteilchenphysik I RWTH SS 2007 Thomas Hebbeker „verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält“ ... und die Evolution des Universums Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Methoden: Beschleuniger und Detektoren Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Offene Fragen Teilchenphysik an der RWTH V 1.5 20070411 T.Hebbeker 04/2007 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Struktur der Materie Quantentheorie und Relativitätstheorie Materie: Leptonen und Quarks Kräfte: Die vier Wechselwirkungen Theoretische Beschreibung: Feynman-Diagramme Das Standardmodell Methoden: Beschleuniger und Detektoren Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Offene Fragen Teilchenphysik an der RWTH T.Hebbeker 04/2007 Die Struktur der Materie = 1 fm elektromagnetische Kraft (= elm. Wechselwirkung) Kernkraft ~ starke Wechselwirkung Grundlagen der Teilchenphysik T.Hebbeker 04/2007 200 MeV ↔ 1 f Quantentheorie 1 relevant wenn Größen der Dimension „Wirkung“ − 16 (= Energie * Zeit = Impuls * Ort) nicht >> h = 6 . 6 ⋅ 10 eV s Beispiel: Eigendrehimpuls (= Spin) des Elektrons: h / 2 Konsequenzen: Unschärferelation: Δx ⋅ Δp > h , „Zufall“, ... 1 Relativitätstheorie v → c = 3.0 ⋅10 m / s v ≈ 0.999 c 8 relevant wenn Geschwindigkeiten Beispiel: Quark im Proton: Konsequenzen: v≤ c , Zeitdilatation, E = m ⋅ c , ... 2 Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems T.Hebbeker 04/2007 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 04/2007 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 04/2007 Zu schwach für direkte Messungen T.Hebbeker 04/2007 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´ ! Das Standardmodell der Teilchenphysik T.Hebbeker 04/2007 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! T.Hebbeker 04/2007 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Methoden: Beschleuniger und Detektoren Strukturuntersuchungen Teilchenphysik und Kosmologie Teilchenbeschleuniger: Prinzipien, Beispiele Teilchendetektoren: Prinzipien, Beispiele Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Offene Fragen Teilchenphysik an der RWTH T.Hebbeker 04/2007 Methoden der experimentellen Teilchenphysik Werkzeuge: • Teilchenbeschleuniger • Teilchendetektoren Unschärferelation: Δx ≈ 1 / E Studium der Kräfte bei hohen Energien: (Big Bang!) Neue schwere Teilchen (Masse m): HOHE ENERGIE ! Strukturuntersuchung T.Hebbeker 04/2007 Teilchenphysik und Kosmologie T.Hebbeker 04/2007 Dunkle Materie = Neutralino ? (Supersymmetrie) Teilchenbeschleuniger untersuchen Prozesse 10 −10 s nach dem Urknall (100 GeV) Materie- AntimaterieAsymmetrie ? T.Hebbeker 04/2007 Teilchenkollisionen Teilchensorten: p, e und Antiteilchen Kerne T.Hebbeker 04/2007 Teilchenbeschleuniger Prototyp: Braunsche Röhre Energiezufuhr nur im elektrischen Feld: Feld: statisch oder Welle max 10 MV/m Linear oder zirkular ? + Teilchen-Antiteilchen-Kollisionen + „Recycling“ - Hohe Synchrotronstrahlungsverluste (e) T.Hebbeker 04/2007 Hohe Energien (100 GeV) erfordern große Beschleuniger (mehrere km) ! T.Hebbeker 04/2007 Linearbeschleuniger CERN 1968 Protonen Ekin = 50 MeV E-Feld Forschungszentren und Beschleuniger T.Hebbeker 04/2007 FERMILAB (USA) [TEVATRON] KEK (Japan) SLAC (USA) [PEP-II] [HERA] [LEP, LHC] LHC (CERN) Large Hadron Collider Fast 10000 Magnete, davon 1232 supraleitende Dipole (8 Tesla) T.Hebbeker 04/2007 LHC = Large Hadron Collider T.Hebbeker 04/2007 7000 GeV + 7000 GeV CERN T.Hebbeker 04/2007 LHC (CERN): p (7000 GeV) + p (7000 GeV) CCC = CERN Control Center T.Hebbeker 04/2007 Grosse Teilchenbeschleuniger T.Hebbeker 04/2007 7 9 Teilchen aus dem Universum T.Hebbeker 04/2007 Entdeckungen neuer Teilchen 1930-1960: kosmische Strahlung! Energien bis 11 10 GeV Jeder Teilchennachweis via elektromagnetische Wechselwirkung! Teilchendetektoren Spurdetektoren: T.Hebbeker 04/2007 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 04/2007 Nachweisbar: langlebige Teilchen mit elm. und/oder starker Wechselwirkung Viele Teilchen sind kurzlebig Nachweis nur über ihre Zerfallsprodukte CDF-Detektor am Fermilab η T.Hebbeker 04/2007 η = − ln tan θ / 2 Kollisionsereignis im OPAL-Detektor (LEP) T.Hebbeker 04/2007 e+e− 204 GeV T.Hebbeker 04/2007 Der geplante CMS-Detektor am LHC/CERN Spurdetektoren Kalorimeter Magnet T.Hebbeker 04/2007 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Methoden: Beschleuniger und Detektoren Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Teilchen Wechselwirkungen Symmetrie-Verletzungen Bedeutende Resultate der letzten ~25 Jahre Offene Fragen Teilchenphysik an der RWTH ! Das Standardmodell der Teilchenphysik Materie: Spin ½ - Fermionen: 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 T.Hebbeker 04/2007 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 04/2007 T.Hebbeker 04/2007 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 Elektromagnetische Wechselwirkung Bindungszustand: H-Atom: erlaubt: Erhaltungssätze: Ladung (immer), Teilchensorte (elm. WW) verboten: T.Hebbeker 04/2007 Starke Wechselwirkung T.Hebbeker 04/2007 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 Schwache Wechselwirkung Kollisionsereignisse: Zerfälle: W-Austausch: Teilchenart ist NICHT erhalten ! T.Hebbeker 04/2007 Baryonen Mesonen Hadronen = Quarkbindungszustände T.Hebbeker 04/2007 T.Hebbeker 04/2007 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 Entdeckung von W und Z T.Hebbeker 04/2007 ! CERN 1983 UA1, UA2 p p 600 GeV q q→Z →e e q q →W → eν Nobelpreis 1984 Rubbia, Van der Meer Neutrinos aus Supernova SN 1987A (Magellansche Wolke) T.Hebbeker 04/2007 ! e +ν → e +ν + γ HST 1996 Kamiokande Präzisionsmessungen bei LEP Z-Masse: 1986: 92 ± 1GeV 2000: 91.1882 ± 0.0022 GeV Zahl der Neutrinofamilien: 2000: Nν = 2.983 ± 0.007 Top-Quark-Masse: 1993: mt = 160 ± 30 GeV (Vorhersage !) T.Hebbeker 04/2007 ! Entdeckung des top-Quarks T.Hebbeker 04/2007 ! Fermilab, 1995 CDF, D0 p p 1800 GeV m = 171.4 ± 2.1GeV (2007) 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 04/2007 T.Hebbeker 04/2007 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Methoden: Beschleuniger und Detektoren Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Offene Fragen Das Higgs-Boson Ist die Natur „supersymmetrisch“ ? Welche Rolle spielt Antimaterie im Universum ? Teilchenphysik an der RWTH Das Higgs-Boson Experiment: T.Hebbeker 04/2007 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 04/2007 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 ! Supersymmetrie Materieteilchen: Spin ½ T.Hebbeker 04/2007 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 ? Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Kosmos T.Hebbeker 04/2007 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 04/2007 Inhalt Übersicht: Teilchen und Wechselwirkungen Methoden: Beschleuniger und Detektoren Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Offene Fragen Teilchenphysik an der RWTH Institute und Projekte (Beispiele) CMS = Compact Muon Solenoid D0 Auger Experimentelle Teilchenphysik in Aachen Institute: T.Hebbeker Theorie: I B, III A, III B Lehrstuhl E CMS [LHC], D0 [Tevatron] AMS, Auger, Xenon Double Chooz T.Hebbeker LHC am CERN LHC = Large Hadron Collider Aachen 7 TeV p + 7 TeV p Physik: Higgs-Boson ! Supersymmetrische Teilchen ? CP-Verletzung 27 km Tunnel (LEP, LHC) Start: 2007 Der CMS Detektor T.Hebbeker D0-Experiment am Tevatron p (1 TeV) + p (1 TeV) Top-Physik, QCD, ... p p → jet jet Suche nach • Higgs • Supersymmetrie ... T.Hebbeker Ultra high energy cosmicT.Hebbeker rays energy = 10 millionen x LHC Auger observatory origin 24 x fluorescence telescopes 1600 x Argentina 50 km x 60 km = 3000 km2 water tanks (cherenkov light) Das Wichtigste sind die Köpfe ! T.Hebbeker
