Ein Universum voller Teilchen

Schülerforschungstage
„Hands on Particle Physics“
Ein Universum voller Teilchen
Einführung in die Elementarteilchenphysik
Dr. Angela Fösel,
Physikalisches Institut, Didaktik der Physik,
FAU Erlangen
Unter Verwendung von Unterlagen von
• Dr. Martin zur Nedden (HU Berlin)
• Univ.-Prof. Dr. Leopold Mathelitsch (Universität Graz)
• Dr. Nick Evans (University of Southampton)
• Dr. Bill Murray (Rutherford Appleton Laboratory)
• Prof. Dr. Michael Kobel (Universität Bonn)
• Verena Klose (TU Dresden)
1
Gliederung
• Motivation
• Elementarteilchen und ihre
Wechselwirkungen
• Zusammenfassung und
Ausblick
2
Motivation
• Motivation
• Elementarteilchen und ihre
Wechselwirkungen
• Zusammenfassung und
Ausblick
3
Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen
• Motivation
• Elementarteilchen und ihre
Wechselwirkungen
• Zusammenfassung und
Ausblick
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Woraus ist die Welt, woraus sind wir selbst gemacht?
Gedanken der griechischen Philosophen:
Demokrit (um 460-371 v. Chr.) et al.:
Materie besteht aus unteilbaren,
kleinen Bausteinen: átomos (άτομος) = unteilbar.
Demokrit. Aus: http://freenethomepage.de/chemiehoenig/Endfassung/Referat.HTM
(17.3.2007)
Aber auch:
Aristoteles (um
384-322 v. Chr.) et al.:
Der Raum ist kontinuierlich
mit Materie ausgefüllt.
Aristoteles. Aus: http://freenethomepage.de/chemiehoenig/Endfassung/Referat.HTM
(17.3.2007)
Die vier Elemente. Aus:
www.wikipedia.de (17.3.2007)
Elementares mit Symmetrien.
Platon (um 427 – 347 v. Chr.) et al.
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Die Materie ist „körnig“, aus Bausteinen aufgebaut!
Empirische Hinweise auf atomare Struktur der Materie erst im 18. Jahrhundert:
Elemente verbinden sich
in immer gleichen
Massenverhältnissen:
16 g Sauerstoff + 2 g Wasserstoff = 18 g Wasser bzw.
32 g Sauerstoff + 4 g Wasserstoff = 36 g Wasser
16 : 2, weil Masse(O) = 16  Masse(H)
Joseph-Louis Proust (französischer Chemiker, 1754-1826) et al.:
Gesetz der konstanten Proportionen
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Die Materie ist „körnig“, aus Bausteinen aufgebaut!
Die erste naturwissenschaftlich begründete Vorstellung von kleinsten
Materieteilchen ist zu Beginn des 19. Jahrhunderts von John Dalton
(englischer Naturforscher und Lehrer, 1766-1844) entwickelt worden .
Daltons Atomhypothese (1803):
1.
2.
3.
4.
5.
Materie besteht aus kleinsten kugelförmigen Teilchen oder Atomen.
Diese Atome sind unteilbar und können weder geschaffen noch zerstört
werden.
Alle Atome eines chemischen Elements sind untereinander gleich, sie
unterscheiden sich nur in der Masse von Atomen anderer Elemente.
Diese Atome können chemische Bindungen eingehen und aus diesen auch
wieder gelöst werden.
Das Teilchen einer Verbindung wird aus einer bestimmten, stets gleichen
Anzahl von Atomen der Elemente gebildet, aus denen die Verbindung
besteht.
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Die Materie ist „körnig“, aus Bausteinen aufgebaut!
„Temperatur“ und „Druck“ in Gasen lassen sich veranschaulichen durch bewegte Teilchen.
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Die Materie ist „körnig“, aus Bausteinen aufgebaut!
Elemente verbinden sich in immer
gleichen Massenverhältnissen:
16 : 2, weil Masse(O) = 16  Masse(H)
„Temperatur“ und „Druck“ in Gasen sind erklärbar durch bewegte Teilchen.
Schlussfolgerungen sind
indirekt.
Kann man Teilchen sichtbar
machen?
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Wie kann man kleine Teilchen „sehen“ ? –
Das Prinzip eines Streuversuchs
•
•
Wollen wir herausfinden, was sich im
Innersten der Materie abspielt, ob die
kleinsten Bausteine unserer Welt
womöglich aus noch kleineren
zusammengesetzt sind, so lassen wir zwei
Teilchen zusammenprallen und sehen uns
an, was bei der Kollision passiert.
Je energiereicher die Projektile, desto
mehr verraten sie über den Aufbau des
Objekts:
Aus der Ablenkung der Bälle kann man auf
die Form des Sacks schließen; die Pfeile
lassen die Kugeln in seinem Inneren
erkennen; die hochenergetischen
Geschosse lassen die Kugeln zerplatzen
und offenbaren so deren innere Struktur.
Verschiedene Projektile enthüllen den Aufbau eines
Objektes. Aus:
http://www.weltderphysik.de/de/250.php (18.3.2007)
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Wie kann man kleine Teilchen „sehen“ ? –
Der Streuversuch von Rutherford
Ernest Rutherford (Neuseeländer, 1871-1937) untersucht die
Struktur der Atome durch Streuversuche.
Ernest Rutherford. Aus:
www.wikipedia.de (18.3.2007)
Aufbau des Rutherfordschen
Streuversuchs.
Goldatome in
einer Folie.
Rutherford Applet. Aus:
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/
(18.3.2007)
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Rutherfords Atommodell
10-14 m
10-10 m
Schematische Darstellung des Atoms. Nicht
maßstäblich. Aus: www.wikipedia.de. (18.3.2007)
Kern : Atom = 1 : 10 000
 Das Atom ist leer !
Und das Atom ist nicht unteilbar! – Es besteht aus Elektronen und aus dem Kern.
Und voraus bestehen die…?
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Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen
1/10.000.000
> 0,01 m
<
Kristall
10-9 m
Molekül
1/10
1/10.000
10-10 m
Atom
1/1.000
1/10
10-14 m
Atomkern
10-15 m
Proton
< 10-18 m
Quark,
Elektron
Stecknadelkopf:
10-3 m = 0,001 m
Elektron, Quark:
<10-18 m = 0,000000000000000001 m
punktförmig?
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Aber das ist nicht alles …
Das Elektron hat einen „Freund“, das Elektron-Neutrino νe.
(theoretisch vorhergesagt: 1931 – experimentell nachgewiesen: 1953)
Dieses Teilchen wird „gebraucht“, um Energie- und Impulserhaltung im so
genannten β-Zerfall zu gewährleisten:
n → p + e + νe
„Steckbrief“:
• keine elektrische Ladung,
• (nahezu) masselos,
• schwach wechselwirkend: 999 999 999 von 1 000 000 000 Neutrinos
schaffen Erddurchquerung
Übrigens: Die Sonne ist eine riesige „Neutrino-Fabrik“!
(→„schwacheWechselwirkung“)
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„Gewöhnliche“ Materie –
1. Generation elementarer Teilchen
Atom
Proton: uud
Neutron: udd
Erste Generation elementarer Teilchen. German Hacker:
http://www.physicsmasterclasses.org/exercises/erlange
n/de/titelseite.html (18.3.2007)
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„Teilchengenerationen“
Generationen elementarer Teilchen. German Hacker:
http://www.physicsmasterclasses.org/exercises/erlange
n/de/titelseite.html (18.3.2007)
Warum drei Generationen?
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„Bauplan“ für Hadronen → Baryonen und Mesonen
Es existieren nur „farblose“ Kombinationen!!

Baryonen („Rot“ + „Grün“ + „Blau“ = „Weiß“)
Mesonen („Rot“ + „Anti-Rot“ = „Weiß“)
Proton: zwei „u“-Quarks (+2/3)
und ein „d“-Quark (-1/3)
Neutron: ein „u“-Quark (+2/3)
und zwei „d“-Quarks (-1/3)
„Anti-Rot“ = Cyan
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Die Struktur der Materie
Platon. „Elementares“. Aus:
www.wikipedia.de (18.3.2007)
Bausteine. Aus: www.badenerauktionshaus.de (18.3.2007)
Die Materie ist aus Bausteinen aufgebaut,
die Vielfalt der Natur entsteht durch Zusammensetzen von Elementarem!
Die kleinsten Teilchen sind winzig
oder haben keine Ausdehnung,
der Raum ist leer.
Warum wirkt Materie – z.B. ein Tisch – dann massiv?
Die Teilchen üben Kräfte aufeinander aus!
Was sind die Kräfte,
die die Welt im Innersten zusammenhalten?
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Die fundamentalen Kräfte in der Natur
p n
n
pn
n
p
n
n np
p
n
p
p pp p
n
19
Die fundamentalen Kräfte in der Natur
Gravitative Wechselwirkung - die Wechselwirkung
zwischen Massen:
Sie hält unsere Füße auf dem Boden und die Planeten auf
ihren Bahnen.
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Die fundamentalen Kräfte in der Natur
Elektromagnetische Wechselwirkung - die Wechselwirkung zwischen
ruhenden und bewegten Ladungsträgern:
Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Elektronen und
Atomkernen ist für alle bekannten chemischen und physikalischen
Eigenschaften gewöhnlicher Festkörper, Flüssigkeiten und Gase
zuständig.
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Die fundamentalen Kräfte in der Natur
p n
n
pn
n
p
n
n np
p
n
p
p pp p
n
Starke Wechselwirkung - die Wechselwirkung zwischen
Kernbausteinen:
Sie hält Protonen und Neutronen im Atomkern zusammen und hat
eine „Reichweite“ von nur etwa 10-15 m, so dass sie im alltäglichen
Leben und selbst im Bereich eines Atoms (10-10 m) völlig untergeht.
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Die fundamentalen Kräfte in der Natur
Schwache Wechselwirkung:
Sie hat eine so kurze „Reichweite“ (10-17 m) und ist so schwach, dass
sie wohl kaum irgendetwas zusammenhalten kann.
Schwache Wechselwirkungen bilden den ersten Schritt der
nuklearen Reaktionskette im Inneren der Sonne, bei der zwei
Protonen verschmelzen, so dass ein Deuteriumkern, ein Positron und
ein Neutrino entstehen.
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Prinzip von Kraftwirkungen
elektromagnetische WW
starke WW
Abstoßend
schwache WW
Anziehend
gravitative WW
Quantenfeldtheorie: WW zwischen Elementarteilchen erfolgt als
Austausch von Elementarteilchen (Botenteilchen)!
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Einschub: Eine „neue“ Einheit für die Energie
1 ElektronVolt = 1 eV
1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV
1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 1.000.000 eV
1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 1.000.000.000 eV
1 GeV ist „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig:
1 GeV könnte eine Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze
0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen!
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Das Z°-Boson
•
eines der drei Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung
•
elektrisch neutral
•
kann zerfallen in:
• Neutrino-Antineutrino-Paare
• Quark-Antiquark-Paare
• Elektron-Positron-Paare, μ+μ- -Paare, τ+τ- -Paare
• unbekannte Teilchen? (leichter als die halbe Z°-Masse)
Z
e e
0
qq
?
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Was ist eine „Zerfallsbreite“?
•
Heisenberg'sche Unschärferelation: ∆E x ∆t ≥ h/2π
•
Jedes instabile Teilchen hat eine Energieunschärfe, die sich als
Massenunschärfe bemerkbar macht.
•
Beispiel: W-Boson
• Punkte: Daten
• farbige Flächen:
theoretische Modelle
Masse
Breite
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Die Zerfälle des Z°-Bosons
•
Z°-Boson:
• Zerfallsbreite: 2.5 GeV
• Lebensdauer: 10-25 s
•
Zerfallsbreite
e
qq
Neues?
Analogie Wassereimer:
• Je mehr Löcher der Eimer hat, desto schneller
ist er leer.
• Je größer ein Loch ist, desto mehr Wasser fließt
dadurch hinaus.
• Die Löcher entsprechen Zerfallskanälen.
Z
e e
0
qq
?
28
Zusammenfassung und Ausblick
Systematik  Symmetrien
Warum 3?
3 Familien von Quarks und Leptonen
+ Botenteilchen , W, Z0, 8 Gluonen,
Graviton
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Zusammenfassung und Ausblick
Die Teilchen in den drei Familien
unterscheiden sich nur in ihrer Masse.
Schöne Symmetrie, wenn alle Teilchen keine Masse hätten.
Warum haben die Teilchen Masse?
Antwort der Theoretiker:
Das Higgs-Teilchen „gibt“ allen Teilchen Masse.
Wie kann man das verstehen????
Das Higgs-Teilchen muss erst noch gefunden werden … .
30
Dankeschön fürs Zuhören!
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