Die Welt der Teilchen
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Die Welt der Teilchen Prof. André Schöning Physikalisches Institut Universität Heidelberg 1 Blick in die Tiefe des Universums 2 Blick in die Tiefe des Universums RAUM 3 Blick in die Tiefe des Universums RAUM ZEIT 4 Blick in die Tiefe des Universums RAUM ZEIT MATERIE 5 Von Materie ... 6 ...zu Elementarteilchen 7 Alten Griechen Elementarteilchen ? 8 Atomismums und Vakuum Platon (ca. 428-348 v. Chr) und Aristoteles (ca. 384-322 v. Chr): Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft „Nicht seiendes“ gibt es nicht! Symmetrie + Äther 9 Atomismums und Vakuum Platon (ca. 428-348 v. Chr) und Aristoteles (ca. 384-322 v. Chr): Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft „Nicht seiendes“ gibt es nicht! Symmetrie + Äther Demokrit (ca. 460-371 v. Chr) und Leukippos (5. Jahrh. vor Chr): Materie besteht aus unteilbaren Bestandteilen (Atome) Leerer Raum zwischen den Atomen (Vakuum) Atomismus + Vakuum Moderne Physik lehrt: alle hatten (zumindest teilweise) Recht ! 10 Struktur der Materie Streuung von – Teilchen (Heliumkerne) an einer Goldfolie Hans Geiger + Ernest Marsden 1911-1913 Goldfolie Schlüsselexperiment! Messung des Streuwinkels Rutherford Streuformel (Coulomb Potenzial): Rate ∝ Z1 Z2 e 4E 2 1 1 ∝ 4 4 sin /2 sin /2 Die Goldfolie ist überwiegen leer! (Demokrit) 11 Alten Griechen Elementarteilchen ? Kollegen (Quantenfeldtheoretiker) 12 Quantenfeldtheorie Physiker-Kollege: „Ein Elementarteilchen ist ein angeregter Quantenzustand des Quantenfeld-Vakuums“ 13 Quantenfeld-Vakuum = See 14 angeregter Zustand = Teilchen 15 Quantenphysik Physiker-Kollege: „Ein Elementarteilchen ist diskreter Zustand (abzählbar), der durch eine definierte Masse und bestimmten Quantenzahlen z.B. elektrische Ladung und Spin charakterisiert ist“ 16 unteilbarer Zustand Quanten-Zustand angeregter Zustand Vakuum Äther Elementarteilchen ? Raum + Zeit Symmetrien Spin Masse Ladung Lebensdauer 17 Diskreter Zustand punktförmig (keine Struktur) → nicht weiter teilbar! abzählbar ununterscheidbar Elektronen e- e- e- e- e- e- 18 Teilcheneigenschaften Geldstücke Elektronen e- e- e- e- e- e- 19 Teilcheneigenschaften Geldstücke Elektronen e- e- e- e- e- e- definierte (einheitliche) Masse: m = me = 0.511 MeV/c2 definierte elektrische Ladung: Q = - e = 1.6 · 10-19 Coulomb definierten Spin (Drehimpuls): J=½ħ 20 Ununterscheidbarkeit e - Zeit A e- Zeit A 21 Ununterscheidbarkeit Zeit B e e- e- - Zeit A Zeit A e- Zeit B 22 Ununterscheidbarkeit Zeit B e e- e- - Zeit A Zeit A e- Zeit B 23 Ununterscheidbarkeit Zeit B e e- e- - Zeit A Zeit A e- Zeit B 24 Unschärferelation Wichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik: Heisenberg'sche Unschärferelation p x ⋅ x ≥ ℏ (Planck'sche Konstante) Impuls pX und Ort x können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden! Planck'sches Wirkungsquantum −34 ℏ = 10 −34 Js = 10 m kg s 2 25 Unschärferelation Wichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik: Heisenberg'sche Unschärferelation p x ⋅ x ≥ ℏ (Planck'sche Konstante) Impuls pX und Ort x können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden! Planck'sches Wirkungsquantum Elektronen Masse: −34 ℏ = 10 −34 Js = 10 m kg s 2 MeV −30 m e = 0.511 = 0.91⋅10 kg 2 c 26 Unschärferelation Beispiel vy = 0 ± 10 cm/s ? Proton Elektron e- p y = 0 ± 1 mm me⋅ v y ⋅ y ≥ ℏ 27 Bahndrehimpuls ? L = p ×r LZ 0 ? LZ = 0 ? LZ 0 p e- 28 Quantisierter Bahndrehimpuls LZ = ℏ LZ = 0 p e- L Z = −ℏ L ist gequantelt! → Wahrscheinlichkeiten 29 Doppelspaltexperiment Ereignis e- funktioniert mit Licht (Photonen) und Teilchen (z.B. Elektronen) Wahrscheinlichkeitsverteilung zeigt Interferenzmuster! 30 Interferenzen A = A1 + A2 A2 31 Wahrscheinlichkeiten „Gott würfelt nicht“ (Albert Einstein) Experimente: die Natur würfelt! Teilchen werden durch eine komplexe Wellenfunktion beschrieben Wahrscheinlichkeit der Beobachtung: ∗ 2 P = = ∣∣ 32 Erste Zusammenfassung Teilchen sind punktförmige diskrete Zustände mit definierter Masse und Quantenzahlen, die Ausbreitung wird im Rahmen der Quantenmechanik mit Wellenfunktionen beschrieben Beobachtungen („Ereignisse“) werden durch Wahrscheinlichkeiten beschrieben 33 Wechselwirkung von Teilchen Zeit B e e- ? - S = 1 Zeit A e- Zeit A e- Zeit B 34 Wechselwirkung von Fermionen Zeit B Spin =1/2 ħ e- ? µ - e- S = 1 Zeit A µ- Zeit A Spin-Flip! Zeit B 35 Wechselwirkung von Fermionen Zeit B Spin =1/2 ħ Photon γ e- µ e- Zeit A Zeit A - µ- Zeit B Austausch-Bosonen (Kraftteilchen) 36 Kraftteilchen (Bosonen) Teilchen Photon γ Spin =1 ħ Austauschkraft elektro-magnetisch Graviton G Massenanziehung Gluon g Farbkraft (starke WW) W± , Z0 -Bosonen schwache Wechselwirkung 37 Kraftteilchen (Bosonen) Masse Reichweite m = 0 ∞ mG = 0 ∞ mg = 0 ∞ mW = 80 GeV/c2 Spin =1 ħ 10 -18 m 38 Unschärferelation Energie und Zeit E ⋅ t ≥ ℏ (Planck'sche Konstante) Energie E und Zeit t können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden! Für eine kurz Zeit t ist die Energie E unscharf −26 t = 10 s E ~ 80 GeV / c 2 39 Quantenfeldtheorie e e W u W Z u W Z W Z Z u g g G e u G G d e G e d W g u e G d W Z G Z G e u u d d g g d d g W g Z Vakuum ist ein „See“ aus virtuellen Teilchen 40 Quantenfeldtheorie e e W u W Z u W Z W Z Z u g G G e u G d e G e d W g u e G d Z G e u u d d g W Z G neutron g g d d g W g Z 41 W- Boson neutron n 42 Quantenfeldtheorie Elektron p proton W- Boson e- Anti-Neutrino neutron n −26 t = 10 s 43 Teilchenerzeugung Kann man gezielt ein W± -Boson oder Z0Boson aus dem Vakuum erzeugen? 44 Teilchenerzeugung Kann man gezielt ein W± -Boson oder Z0Boson aus dem Vakuum erzeugen? Ja! Wenn man Energie in Masse umwandelt! 45 Woher kommt das Licht der Sonne? 46 Woher kommt das Licht der Sonne? aus Materie! 47 Woher kommt das Licht der Sonne? Kernfusion 48 Woher kommt das Licht der Sonne? E0 = m c 2 Kernfusion 49 Teilchenerzeugung e+ Positron Z0 -Boson Elektron e50 LEP Beschleuniger am CERN 1989-2000 e+ e+ Positron Z0 -Boson Elektron e - e51 Ergebnisse e e Beschleuniger + - Z Resonanz-Peak 52 Standardmodel der Teilchenphysik elementare Teilchen: strukturlos punktförmig 3 Generationen von Fermionen 4 Bosonen (Austauschteilchen) , Z , W± ,g 53 54 Ungelöste Probleme der Teilchenphysik 1. Dunkle Energie und Dunkle Materie? 55 Universum ~72% „Dunkle Energie“ im Universum ~23% „Dunkle Materie“ im Universum ~4% gewöhnliche Materie (Baryonen, Elektronen, Neutrinos) 56 Ungelöste Probleme der Teilchenphysik 1. Dunkle Energie und Dunkle Materie? 2. Materie – Antimaterie Asymmetrie? 57 Universum ~100% Materie ~0% Antimaterie 58 59 Proton Photon Antiproton Antimaterie + Materie ↔ Energie 60 61 Proton Photon Antiproton Antimaterie + Materie ↔ Energie Energie ↔ Antimaterie + Materie Antiproton Photon Proton 62 Energie ↔ Antimaterie + Materie Antiproton Photon Proton Wie entsteht eine Asymmetrie? 63 Ungelöste Probleme der Teilchenphysik 1. Dunkle Energie und Dunkle Materie? 2. Materie – Antimaterie Asymmetrie? 3. Woher kommt Masse vom W± und Z0 ? 64 Woher kommt Masse? Wie entsteht Masse? Urkilogramm (Paris) 65 Quantenfeldtheorien Teilchen werden in Quantenfeldtheorien durch Quantenfelder () beschrieben: Wahrscheinlichkeiten = Postulat: zusätzliches skalares Higgs Quantenfeld (Teilchen) 66 Der Higgs-Kibble Mechanismus (1964) Brechung der Rotationssymmetrie Higgs Potential mexican hut Peter Higgs M skalares Higgs-Feld: V = − 0 0 M 2 20 ∗ − 2 2 0 Higgs Feld koppelt an alle bekannten Elementarteilchen Masse 67 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 68 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 69 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 70 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 71 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 72 Die Higgs-Kopplung V 0 0 ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse 73 Was ist das Higgs-Teilchen und warum wollen wir es finden? Frage des englischen Bildungsminister William Waldegrave 1993 Antwort: von David Miller, University College 74 Cocktailparty Gäste bilden einen „See“ aus Higgs-Teilchen 75 Bekannte Politikerin tritt ein Der prominente Gast erhält Masse 76 „Heiße“ Nachricht erreicht Party Gäste lassen sich durch Neuigkeit „anregen“ 77 „Heiße“ Nachricht erreicht Party Das angeregte Higgs-Feld hat eine Masse 78 Was wissen wir über das Higgs? Massengrenzen: 114 GeV M H 163 GeV kann beim Large Hadron Collider entdeckt werden! Masse 79 Large Hadron Collider CERN (Genf) Proton - Proton Kollisionen: 7 TeV 7 TeV ~10 km 80 ATLAS Experiment bei LHC (CERN, Genf) Untersuchung von Proton-Proton Streuung bei höchsten Energien von 14 TeV mehr als 150 Institute ● etwa 2500 Kollaborateure ● größter Detektor ● Datennahme ab Ende 2009 81 ● e e simulierter Higgs Zerfall bei LHC 82 Ungelöste Probleme der Teilchenphysik 1. Dunkle Energie und Dunkle Materie? 2. Materie – Antimaterie Asymmetrie? 3. Woher kommt Masse vom W± und Z0 ? 4. Struktur und Massen der Fermionen? 83 Masse der Fermionen Gold Proton Top Quark (t): M top = 171 GeV = 0.17⋅1012 eV Neutrinos: M ≪ 0.4 eV 84 Verhältnis der Teilchenmassen Top Quark m = 171 GeV/c2 Proton: m ≈ 1 GeV/c2 Elektron: m ≈ 0.5 MeV/c2 Neutrinos: m ≈ 0.01 - 0.1 eV/c2 85 Ungelöste Probleme der Teilchenphysik 1. Dunkle Energie und Dunkle Materie? 2. Materie – Antimaterie Asymmetrie? 3. Woher kommt Masse vom W± und Z0 ? 4. Struktur und Massen der Fermionen? 5. Was passiert bei hohen Energien? Neue Physik? Überaschungen? 86 Large Hadron Collider CERN (Genf) Proton - Proton Kollisionen: 7 TeV 7 TeV Viel Spass! ~10 km 87
