Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem

Klaus Desch
Ringvorlesung
18/12/2001
Mit dem Teilchenbeschleuniger
TESLA
auf der Suche nach dem
Bauplan des Universums
Stand der Elementarteilchenphysik
Die großen Fragen
Teilchenbeschleuniger
Wozu TESLA: Highlights
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
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Elementarteilchen-Physik
sucht nach
kleinsten Bausteinen der Materie
und
Beschreibung der Kräfte zwischen ihnen
)keine direkte Wahrnehmung
)Entwicklung eines theoretischen Modells
..
liefert Hinweise fur das Modell
THEORIE
EXPERIMENT
macht widerlegbare Vorhersagen
”Gute Theorie:”
= wenig ”Zutaten” (wenig Naturkonstanten)
) Weltformel
(Ästhetik $ Symmetrie)
K. Desch
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Maßeinheiten
Experimente messen = quantitative Aussagen.
) Grundeinheiten
klass. Physik
Länge
Zeit
Energie
Ladung
Temperatur
Masse
...
Teilchenphysik
Zusammenhang zwischen den
Grundeinheiten (Quanten-
$ Masse
Länge $ Zeit
Energie $ Zeit
Temperatur $ Energie
Energie
Ladung
K. Desch
$ dimensionslos
theorie,Relativitätstheorie,...)
E = mc2
c = E = h
E = kT
(rel. Stärke einer Kraft)
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Maßeinheiten
[Energie] = Joule = Ws
in der Teilchenphysik:
1 Elektronvolt
= 1 eV =
Energie eines Elektrons,
das von einer Spannung
1 Volt beschleunigt wurde
10
19 J
1 eV =
1.602
1 keV =
103 eV
1 MeV =
106 eV
Bindungsenergie Atomkern
1 GeV =
109 eV
Masse Proton
Bindungsenergie äuß. Atomhülle
Bindungsenergie innerer Schalen
(Röntgenstrahlung)
”Bindungsenergie der Quarks”
1 TeV =
1012 eV
= ??
Energie des TESLA Beschleunigers
K. Desch
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Dimensionen und Struktur der Materie
26
52
Universum
10
m, 10
kg
Galaxie
10 21 m, 10 41 kg
Sonnensystem
10 13 m, 10 30 kg
Erde
10 7 m, 10
Mensch
10 0 m, 10 2 kg
Atom
10-10m, 10-26kg
Atomkern
10-14m, 10-26kg
Nukleon
10-15m, 10-27kg
24
kg
Quark, Lepton <10-18m, 10-30kg
? ?
?????
?
?
® S. Bethke
K. Desch
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K. Desch
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Drei Familien ?
Woher wissen wir, dass es wirklich drei Familien sind?
) LEP Beschleuniger (CERN):
die (leichten) Neutrinos einer vierten Familie würden
sichtbare Effekte hinterlassen.
35
N=2
N=3
N=4
30
25
DELPHI
20
15
10
5
88
89
90
91
92
93
94
95
Energy, GeV
K. Desch
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Substruktur ?
Warum glauben wir, dass die momentan kleinsten Bausteine elementar sind?
Wir wissen, dass:
rElektron 10
rQuark 10
18 m (LEP) und
18 m (HERA)
(1/1000 Protonradius!)
keine Hinweise auf weitere Substruktur
Theoretisch nicht favorisiert (aber auch nicht ausgeschlossen)
! Experimente!
(10 18 m, E = h/ ! E 200 GeV)
K. Desch
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Bauplan Materie
!
!
!
$
Bauplan Universum
Urknalltheorie:
am Anfang gesamte Energie des Univer-
sums auf sehr kleinen Raum
hohe Energiedichte (hohe Temperatur)
Prozesse, die (heute) nur in Beschleuni-
gern untersucht werden können, waren für
den Ablauf der Expansion/Abkühlung des
Universums entscheidend.
Struktur der Materie
K. Desch
$ Entstehung des Universums
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Die Entwicklung des Universums
Wir sind hier
ν
MATERIE-DOMINIERTE ÄRA
ν
Schweres Atom
Schwere Sterne
ν
Proto-Galaxie
ν
ν
Helium-Atom
e
p
n n
p
p
n n
p
ν
ν
Q
QQ
e
ν
QQ
Q
γ
Q
Q
Proton
(Baryonen)
e
W
ν
Q
ν
e
Q
Y
e
g
X
Q
Q
Z
Q
?
?
ν
L
Q
?
L
?
?? ?
Q
W
γ
g
Q
ν
STRAHLUNGS-DOMINIERTE ÄRA
γ
Q
Q
Q
e
ν
UNIVERSUM WIRD
TRANSPARENT
300.000
Jahre
10 10 K
1 sec.
1015 K
10-10 sec.
Asymmetrie Q - Q L - L
1027 K
Inflation
10-34 sec.
Verschwinden der
Positronen
γ
1 Milliarde
Jahre
Nukleosynthese
von Helium
ν
Helium-Kern
e
Enstehung der Sterne
und Galaxien
γ
e
p
11 K
Erste Supernovae
Entkopplung Bildung
1.000 K
von Strahlung von
und Materie Atomen
p
Wasserstoff-Atom
5 Milliarden
Jahre
LEPTONEPOCHE
ν
5K
PHOTONEPOCHE
ν
Formung von Protonen und Neutronen
Verschwinden der
Antiquarks
QUARKEPOCHE
γ
GEGENWART
γ
Temperatur Alter
15 Milliarden
2,7 K
Jahre
ELEKTROSCHWACHE
EPOCHE
GROSSE
VEREINHEITLICHUNG
?
? ?
QUANTENGRAVITATION
1031 K
10-43 sec.
Urknall
® S. Bethke
K. Desch
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Zusammenfassung: Bausteine
Aus heutiger Sicht:
Materie besteht Quarks und Leptonen
6 verschiedene Quarks (3 Familien)
6 verschiedene Leptonen (3 Familien)
’gewöhnliche’ Materie: nur 2 Sorten Quarks und
1 Lepton (Elektron)
hohe Energien: Gleichberechtigung der Quark- und
Lepton-Sorten. (wichtig bei Entstehung des Universum)
Es gibt (vermutlich) keine weiteren
Quarks/Leptonen
Zu jedem Teilchen (Quarks,Leptonen) gibt es ein
Antiteilchen
Antimaterie wurde bei Urknall genauso wie Materie
erzeugt (wo ist sie heute ?)
K. Desch
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Kräfte: Historisches
Unser Kraftbegriff hat sich mehrfach geändert:
1. Newton: Kraft als Fernwirkung
2. Maxwell: Kraft als Wirkung eines Feldes
3. Planck: Feld ist quantisiert
! Feldquanten, Aus-
tauschteilchen
K. Desch
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K. Desch
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Gregor Herten
Die Austauschteilchen (Bosonen) ubertragen die Kraft.
U i
Rel. Starke Austauschteilchen
wirkt auf/bei
Gluonen
Quarks
1
m=0
Atomkern
Elekt.-Magn.Kraft
Photon
elektr. Ladung
1/1000
m=0
Atome, Chemie
Schwache Kraft
W, Z Bosonen
Leptonen, Quarks
10,5 80 GeV, 91 GeV Radioaktive Beta-Zerfalle
Gravitation
Graviton ?
Masse, Energie
10,38
m=0
Typ
Starke Kraft
Die Krafte in der Natur
itt F ib
28
Vereinigung der Kräfte ?
Grundfrage (-hoffung):
Sind die verschiedenen Kräfte auf ein gemeinsames
Prinzip (eine ”Urkraft”) zurückzuführen?
Planeten
Gravitation
"Apfel"
..
Elektrizitat
Urkraft?
Elektromagnetismus
Magnetismus
Elektroschwache Kraft
Schwache Kraft
GUT−Kraft?
10
1
ds/d
2
/ p GeV
-2
Starke Kraft
10
10
g,Z
H1, ZEUS e-p
-1
Standard Model
-2
W
10
10
10
10
10
-3
-4
-5
-6
-7
10
3
10
4
2
K. Desch
/ GeV
2
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Seite 14
Zusammenfassung: Kräfte
Zwischen Materieteilchen (Quarks+Leptonen)
wirken 4 verschiedene Kräfte.
Kräfte werden durch Austauschteilen vermittelt.
Unterschiedliche Stärke der Kräfte (im uns zugänglichen Energiebereich)
Hohe Energien: Annäherung der Stärke. Vielleicht
gleiche Stärke bei
1016 - 1019 GeV.
Entstehung des Universums von Urkraft geprägt ?
Struktur der Kräfte
K. Desch
$ Entstehung des Universums
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Seite 15
Der Stand Heute
Experimentell:
– Alle Materiebausteine entdeckt
– Austauschteilchen
der
elektromagnetischen,
schwachen und starken Kraft entdeckt
– Gravitation: zu schwach
Theoretisch:
– Standard–Modell beschreibt alle Kräfte (außer
Gravitation) mit ”einfachem” Symmetrieprinzip
(”lokale Eichtheorie”).
– viele Vorhesagen !
– präzise (LEP) überprüft
Sind wir fertig ???
K. Desch
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Seite 16
Der Stand Heute
Summer 2001
Measurement
(5)
Pull
∆αhad(mZ)
0.02761 ± 0.00036
-.35
mZ [GeV]
91.1875 ± 0.0021
.03
ΓZ [GeV]
2.4952 ± 0.0023
-.48
σhad [nb]
0
41.540 ± 0.037
1.60
Rl
20.767 ± 0.025
1.11
0,l
0.01714 ± 0.00095
.69
Al(Pτ)
0.1465 ± 0.0033
-.54
Rb
0.21646 ± 0.00065
1.12
Rc
0.1719 ± 0.0031
-.12
0,b
0.0990 ± 0.0017
-2.90
Afb
0,c
0.0685 ± 0.0034
-1.71
Ab
0.922 ± 0.020
-.64
Ac
0.670 ± 0.026
.06
0.1513 ± 0.0021
1.47
sin θeff (Qfb) 0.2324 ± 0.0012
.86
Afb
Afb
Al(SLD)
2 lept
(LEP)
mW
[GeV] 80.450 ± 0.039
mt [GeV]
(TEV)
mW
174.3 ± 5.1
[GeV] 80.454 ± 0.060
2
sin θW(νN)
0.2255 ± 0.0021
QW(Cs)
-72.50 ± 0.70
meas
fit
meas
(O
−O )/σ
-3 -2 -1 0 1 2 3
1.32
-.30
.93
1.22
.56
-3 -2 -1 0 1 2 3
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 17
Die großen Fragen:
Das Standard-Modell ist sehr erfolgreiche Beschreibung, lässt aber viele sehr grundlegende Fragen offen:
Ursprung der Masse? (Higgs Boson)
Warum drei Familien?
Vereinigung der Kräfte (Urkraft)?
Warum ist die Ladung von Elektron und Proton exakt gleich (Zusammenhang zwischen Quarks und
Leptonen)?
Kann das Modell die Entstehung des Universums
beschreiben? (Konsistenz zw. Kosmologie und Teilchenphysik)
– dunkle Materie ?
– wo sind die Antiteilchen ?
– Gravitation ?
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 18
Teilchenbeschleuniger
Zwei Möglichkeiten, Einblick in den Bauplan zu erhalten (beide benötigen Beschleuniger):
1. ”Abtasten” kleiner Strukturen
”Mikroskopie”
light (wave)
small object
2. Erzeugung neuer schwerer Teilchen aus Energie:
Paarvernichtung von (z.B. Elektron und Positron).
Entdeckung neuer Teilchen (E = mc2 )
Präzisionsmessung (stimmen die Vorhersagen im
Detail?)
Elektron
K. Desch
Positron
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 19
17
Teilchenbeschleuniger
Gregor Herten
K. Desch
Universit
at Freiburg Seite 20
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums,
18/12/2001
Das Ende der Kreisbeschleuniger
”Beschleunigte Ladungen strahlen”
E E4
m4
R1
wichtig bei kleinen beschleunigten Massen
(Elektronen)
LEP Beschleuniger war größter realistischer Kreisbeschleuniger für Elektronen
höhere Energien für Elektronen:
Linearbeschleuniger
K. Desch
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Seite 21
Technologische Herausforderung
Teilchenstrahlen stehen nur einmal zur Kollision
zur Verfügung
! Luminosität!
! kleine Ausdehnung der Teilchenpakete nötig
(Fokussierung)
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1
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00 11
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00 1
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1
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11
00
1
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0
11
00
1 11
0
00
10
0
11
00
Beschleunigung: hohe Gradienten (
= Energiege-
winn/Meter) erforderlich
Energieverlust in den Beschleunigungsstrukturen
(Stromkosten/Kühlung)
! Supraleitung!
Technologie für 500 GeV Linearbeschleuniger TESLA
steht jetzt zur Verfügung!
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 22
Beschleunigungs-Elemente
aus reinem Niob (Supraleiter)
kritisch:
– glatte Oberfläche
– absolute Staubfreiheit
– Massenproduktion
(für TESLA:
K. Desch
20000 Elemente)
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 23
e+
e-
Der TESLA Beschleuniger
Länge: 32 km
Energie: 500 - 800 GeV
hohe Luminosität
( 1000 LEP)
) hohe Sensitivität
e-
electron-positron collision
high energy physics experiments
damping ring
aux. positron and
2nd electron source
positron
preaccelerator
positron source
damping ring
linear accelerator
linear
accelerator
electron source
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
aus seltene Prozesse
K. Desch
x-ray laser
Seite 24
Der TESLA Beschleuniger
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 25
Elektron-Positron-Kollisionen
Elektron
Positron
Darstellung in der Teilchenphysik:
”Feynman-Diagramme”
e+
Lepton,
Quark,
W−Boson,
...
Photon(el−mag.)
Z−Boson(schwach)
e−
K. Desch
Anti−Lepton,
Anti−Quark,
Anti−W−Boson,
Anti−...
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 26
Elektron-Positron-Kollisionen
Nachweis der Kollisionen im Detektor
Identifikation der entstandenen Teilchen
Messung ihrer Eigenschaften (Energien, Winkel)
) Rekonstruktion des Gesamtereignisses
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 27
Physik mit TESLA
Highlights:
Ursprung der Masse?
! Higgs-Boson(en)
Vereinheitlichung der Kräfte und dunkle Materie
! Supersymmetrie
Neue Struktur der Raum-Zeit ?
! Gravitation ?!
Dies sind nur Beispiele...
Viele weitere Fragen und Modelle wurden untersucht...
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 28
Ursprung der Masse
Dilemma der (theoret.) Teilchenphysik:
Theorie funktioniert nur für masselose Teilchen
aber: die meisten bekannten Teilchen sind massiv
(exp. Befund).
Mögliche Lösung:
Die Teilchen erscheinen uns nur massiv, da sie permanent einer (neuen) Kraft ausgesetzt sind, die wir
ansonsten nicht spüren!
3 Beispiele:
1. Helium-Ballon im Auto
2. V.I.P. auf einer Party
3. Der Higgs-Mechanismus
K. Desch
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Seite 29
Der Higgs-Mechnismus
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 30
Der Higgs-Mechnismus
Im ”leeren Raum” (Vakuum) herrscht ein konstantes
nicht verschwindendes Kraftfeld (ohne Richtung!):
”skalare Kraft” (Higgs-Feld)
Sie hindert die Teilchen die diese Kraft spüren an
ihrer freien Bewegung:
m=0
) v = c (ohne Feld)
+ (Wechselwirkung mit Higgs-Feld )
m 6= 0 ( v = c( < 1)
Das Feld ist überall, wir spüren es nicht
! alle Teilchen die mit dem Feld wechselwirken
erscheinen uns (wenn wir das Feld ignorieren) als
hätten sie Masse
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 31
Das Higgs-Boson
Überprüfbare Konsequenz des Higgs-Feldes:
Es muss ein diesem Feld zugeordnetes Teilchen geben,
das Higgs-Boson
Letzter fehlender Baustein des Standard-Modells
Im SM wird alles über das Higgs-Boson vorhergesagt
! entscheidender Test!)
außer seiner Masse (
Higgs-Suche bei LEP:
mH > 114 GeV
aber...
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 32
Indirekte Effekte
γ/ Z
Heisenberg’sche Unschärfe-Relation:
tE > ~
) für kurze Zeit können ”virtuelle” Teilchen entstehen,
auch wenn die Beschleunigerenergie hierfür nicht ausreicht.
) Die Möglichkeit der Fluktuation verändert
geringfügig
die Reaktionsrate
die Reaktionseigenschaften
) Präzisionsmessung (< 1%) der bekannten Prozesse erlaubt Rückschlüsse über die virtuellen Teilchen.
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 33
Beispiel: top-Quark
Konnte bei LEP nicht erzeugt werden (zu wenig Strahlenergie):
e+
top−Quark
Anti−top−Quark
e−
2mtop 350GeV > 200 GeV
Trotzdem konnte die Top Masse mit Hilfe von:
t
γ/ Z
t
vorhergesagt werden:
mtop = 180 20 GeV (1994)
1995: Entdeckung des top-Quarks am Tevatron Beschleuniger:
mtop = 175 5 GeV (direkte Beobachtung)
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 34
Indirekte Hinweise auf Higgs-Boson
H
Z
Higgs mass limit (95% CL) [GeV]
Z
800
700
600
500
400
300
200
100
0
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
mH < 200 GeV !
K. Desch
2001
2002
year
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 35
Higgs-Physik bei TESLA
Präzisionsmessung aller Eigenschaften des HiggsBosons.
) Beweis, dass alle Teilchen nur eine scheinbare
Masse haben!
SM Higgs Branching Ratio
oder: Überraschungen (Verständnis duch Genauigkeit).
1
bb
-1
10
+ -
τ τ
gg
cc
10
10
-2
-3
+
-
WW
γγ
100
K. Desch
110
120
130
140
150
160
M H (GeV)
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 36
Jenseits des Standard-Modells
Das SM ist vermutlich ”nur” eine Näherung für nicht
allzuhohe Energien
erklärt nicht:
– dunkle Materie
– verschwinden der Antimaterie
– warum Graviatation so schwach ist
– + theoretische Probleme (Unendlichkeiten...)
Konsistente Erweiterung des Standard-Modells zu
finden ist nicht trivial...
erster sehr vielversprechender Schritt:
Supersymmetrie
K. Desch
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Seite 37
Supersymmetrie
Zu jedem SM Teilchen (Materie+WW-Teilchen) gibt
es ein supersymmetrisches Partnerteilchen
! Symmetrie zwischen Materie (Fermionen) und
Kraftteilchen (Bosonen)
Supersymmetrie muss ”gebrochen” sein (sonst
hätten die SUSY Partner die gleiche Masse wie
ihre SM Teilchen)
Leichtestes SUSY Teilchen stabil
! dunkle Materie
beinhaltet Konzept für Vereinheitlichung der Kräfte
bei sehr hohen Energien
K. Desch
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Seite 38
Supersymmetrie
SUSY Teilchen können bei TESLA präzise untersucht werden, wenn sie existieren
Präzision = Schlüssel zu sehr hohen Energien (weit
höher als jeder denkbare Beschleuniger)
”Teleskop zum Urknall”
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 39
Neue Dimensionen
ganz neues Modell:
es könnte sein, dass:
es weitere Raumdimensionen aufgerollt auf einer
Skala von
m gibt.
1−dim. Welt
’aufgerollte’ Extra−Dimension
SM Kräfte (elektro-schwach und stark) nur in der
”normalen” 3+1-dimensionalen Welt (”auf der Oberfläche”) existieren können
! Abweichung von
Gravitation ins ”Innere” dringt (
Newton’s Gravitationsgesetz)
die Gravitation nur deshalb so schwach erscheint,
weil sich die Gravitonen in die anderen Dimensionen ’verirren’
) völlig neue Vorstellung um Quantengravitation zu
verstehen
) TESLA kann die Auswirkungen dieses Modells sehen!
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 40
K. Desch
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 41
Zusammenfassung
Struktur der Materie und der Kräfte bestimmt
die Entstehung unseres Universums
Mit TESLA können viele sehr grundlegende
Fragen untersucht werden:
– Ursprung der Masse
– Urkraft
– Rolle der Gravitation u.a.
Technologie hierfür steht jetzt zur Verfügung
!
K. Desch
aufregende Zeiten!
Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001
Seite 42