Vorlesung vom 15.10 - Institut für Kernphysik
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LHC und der Nachweis des Higgs-Teilchen On July 4, 2012, CERN announced the long awaited discovery of a new fundamental particle with properties similar to those expected for the missing link of the Standard Model (SM) of particle physics, the Higgs boson. The discovery was made independently by two experimental collaborations – ATLAS and CMS at the Large Hadron Collider – both working with huge all purpose multichannel detectors. With significance at the level of five standard deviations, the new particle was mainly observed decaying into two channels: two photons and four leptons. LHC und der Nachweis des Higgs-Teilchen ATLAS Detektor am LHC Nachweis des Higgs-Boson Standardmodell der Elementarteilchenphysik Physik Nobelpreis für F. Englert und P. W. Higgs François Englert and Peter W. Higgs are jointly awarded the Nobel Prize in Physics 2013 for the theory of how particles acquire mass. In 1964, they proposed the theory independently of each other (Englert together with his now deceased colleague Robert Brout). In 2012, their ideas were confirmed by the discovery of a so called Higgs particle at the CERN laboratory. Kern- und Teilchenphysik 53030 Kern- und Teilchenphysik Vorlesung Di. 12.00-12.45 im Hörsaal III Do. 10.00-11.30 im Hörsaal II Übungen Di. 12.45-13.30 im Hörsaal III, Leiter: Michael Seidlitz Klausur 26.2.2014 Mi. 9:00-12:00 Hörsaal I Web-page http://www.ikp.uni-koeln.de/groups/reiter/lehre.html Dozent Peter Reiter, Institut für Kernphysik, Raum 306, Tel. 0221 4703624 Mail: [email protected] Literaturliste Kern- und Teilchenphysik • • • Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Kernphysik (Springer) Machner: Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik (Wiley-VCH) Martin: Nuclear and Particle Physics (Wiley) Literatur Nur Kernphysik Kernphysik und wenig Teilchenphysik • Bethge: Kernphysik (Springer 1996) • Demtröder: Experimentalphysik 4 (Springer 2004) • Mayer-Kuckuk: Kernphysik (Teubner 1984) Kern- und Teilchenphysik Heute Einführung: • Gegenstand der Kernphysik • Begriffe und Nomenklatur • Historisches (Ergänzung auf Web-page) Warum Kern- und Teilchenphysik studieren? Kernphysikalische Prozesse spielen eine fundamentale Rolle für das Verständnis unserer physikalischen Welt: • Ursprung des Universums • Entstehung der chemischen Elemente • Energie der Sterne • Bestandteile der Materie Kerne Warum Kern- und Teilchenphysik studieren? Kernphysik ist nützlich! Bildgebende Verfahren in der Medizin MRI oder NMR - PET Positron Emission Tomography Medizinische Strahlentherapie Protonen- und Schwerionentherapie Größenskalen Grenzen des bekannten Universums: 10+26 m Galaxien: 10+21 m Makroskopische Gebilde: 10-3 m - 10+3 m Kristalle, Moleküle: 10-9 m - 10-8 m Atome : 10-10 m (Angström) Kerne: 3 -10 fm = 3 -10 x 10-15 m, (1 Femtometer = Fermi) Nukleon: 10-15 m Elementarteilchen: < 10-18 - 10-21 m. Wechselwirkungen und Kräfte • Alle Wechselwirkungen WW zwischen Teilchen können durch vier fundamentale Kräfte beschrieben werden: Gravitation Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung • Auf kurzen Distanzen (~fm) ist die starke- und schwache Wechselwirkung innerhalb der Kerne stärker als die EM-WW. Stärke der fundamentalen Kräfte Nuklidkarte Nomenklatur • • • • • Ein Nuklid ist ein Atomkern aus Z Protonen und N Neutronen. Massenzahl A, die Summe von Protonenzahl und Neutronenzahl, Summe aller Nukleonen in diesem Atomkern: A = N + Z Die Ordnungszahl Z ist für das Element spezifisch. Mit q wird die Ionenladung bei atomaren Prozesse angegeben. Nuklide mit gleichem Z, N oder A haben folgende Namen: Isotope: Nuklide mit gleichem Z Isotone: Nuklide mit gleichem N Nuklidkarte Isobare: Nuklide mit gleichem A Vollständige Schreibweise: ist redundant wg. Z~X, A=N+Z Einheiten in der Kern- und Teilchenphysik • Längen Kerne haben Radien von einigen Femtometer fm (1fm = 10-15 m), 1fm wird auch als Fermi bezeichnet • Energie Energien werden in Elektronenvolt eV angegeben. Energie die eine Teilchen mit der Elementarladung 1e (= 1,602 ·10-19 C) beim Durchlaufen einer Potentialdifferenz von 1V gewinnt. 1 eV = 1, 602 · 10-19 J. Typische Werte: Atomphysik: eV Kernphysik: keV, MeV Hochenergiephysik: GeV, TeV . • Massen atomare Masseneinheiten (1u = 1/12m[12C] = 1, 66 · 10-27 kg) oder gemäß Massen-Energie-Äquivalenz E = mc2 in MeV/c2 eine atomare Masseneinheit 1 u = 931,5 MeV/c2 Einheiten und Konstanten Quantenmechanische Systeme: Heisenbergsche Unschärferelation verknüpft Zeit- und Energieskalen, Planck-Konstant (Wirkungsquantum): Lichtgeschwindigkeit: Feinstrukturkonstante Masse-Energie-Äquivalenz A. Einstein E = mc 2 • Drückt die Ladung in einer einfachen Art aus • Maß für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung Natürliche Einheiten Natürliche Einheiten Einheitensystem bei dem von den Maßen (Meter, Kilogramm und Sekunde) auf die Einheiten (¯ h, c, MeV ) oder (¯ h, c, fm) übergegangen wird Die Relation zwischen beiden Systemen ist gegeben durch: Historisches, wichtige Daten aus der Kernphysik • Entdeckung der Röntgenstrahlung (1895 Röntgen) • Entdeckung der Radioaktivität (1896 Becquerel) • Entdeckung des Elektrons (1897 Thomson) Elektron J.J. Thomson: Experimente mit Kathodenstrahlen Eigenschaften des Elektrons • Ladung: e=1.602 • 10-19 C Millikan (1910) • Ruhemasse: me=0.510999 MeV/c² • Spin: s=½ ħ • Magnetisches Moment: µ=e ħ/2me=5.788 • 10-11 MeV/T Elektron ist ein Elementarteilchen R < 10-18 m Historisches, wichtige Daten aus der Kernphysik • Gesetze des radioaktiven Zerfalls (1897 Rutherford, Soddy) • Identifizierung der α-, β- und γ−Strahlung (1897 Rutherford) • α-Streuexperimente, Existenz des Atomkerns (1911 Rutherford, Geiger, Mardsen) • Systematik der Röntgenspektren, => Ordnungszahl, Basis für Periodensystem (1913 Mosley) Protonenzahl: Ladung des Atomkerns • Ladungszahl Z gibt die Zahl der Protonen im Kern an, Ladung Q=Ze • Bestimmung von Z: Messung der Röntgenübergangsenergie aus der L- in die K-Schale Moseleysches Gesetz • E(Kα)=1/2 α2 me c2 (Z-1)2 Historisches, wichtige Daten • Bohrsches Atommodell Erklärung des Wasserstoffspektrums (1913 Bohr) • Erste Kernreaktionen / Transmutation (1919 Rutherford) • Entwicklung der Quantenmechanik (ab 1925 u.a. De Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Born) • Neutrinohypothese (1930 Pauli) • Erste Teilchenbeschleuniger (1930-32 Van de Graaf, Cockroft, Walton, Lawrence) • Entdeckung des Neutrons (1932 Chadwick) Entdeckung des Neutrons 1932 • Das Neutron als Teil des Atomkerns wurde 1932 von Chadwick als Produkt der Kernreaktion: 4He + 9Be -> 12C + n + Q • Die ungeladenen Neutronen wurden an Wasserstoffkernen gestreut. Bei zentralen Stößen wird die gesamte Energie auf das Proton übertragen. Historisches, … • Entdeckung des Positrons (1932 Anderson) • Theorie des Betazerfalls (1934 Fermi) • Beschreibung der Kernkräfte durch Mesonenaustausch (1935 Yukawa) • Entdeckung des Myons (1937 Anderson, Neddermeyer) • Theorie der thermonuklearen Reaktionen in Sternen (1938 Bethe) • Entdeckung der Kernspaltung (1938 Hahn, Straßmann) • Theorie der Spaltung, Tröpfchenmodell (1939 Meitner, Frisch, Bohr, Wheeler) • Produktion der ersten Transurane (1940 Seaborg) • Erste kontrollierte Kettenreaktion (1942 Fermi) • Entwicklung der Atombombe (1945 Oppenheimer(Manhatten Project)) Historisches, wichtige Daten • Entdeckung des Pion oder Pi-Mesons (1947 Powell) • Schalenmodell der Kernstruktur (1949 Goeppert-Mayer, Jensen, Haxel, Suess) • Seltsamkeits-Hypothese (1953 Gell-Mann, Nishjima) • Erster Nachweis von Teilchen mit Seltsamkeit (1953 Brookhaven National Laboratory) • Kollektives Modell für Kerne (1953 A. Bohr, Mottelson, Rainwater) • Entdeckung des Antiprotons (1955 Chaimberlain, Segre) Historisches, wichtige Daten • Experimenteller Nachweis des Neutrinos (1956 Reines, Cowan) • Nachweis der Paritätsverletzung im Beta-Zerfall (1956 Lee, Yang, Wu) • Quarkmodell der Hadronen (1964 Gell-Mann, Zweig) • Elektroschwache • Entwicklung der (1972 Gell-Mann) Vereinigung (1967 Weinberg, Salam) Quantenchromodynamik (QCD) Historisches, wichtige Daten • Nachweis des J/Y Mesons (1974 Richter, Ting) • Entdeckung des Tau-Leptons (1975 Perl) • Entdeckung des Bottom Quarks (1977 Ledermann) • Entdeckung der W und Z Bosonen (1983 Rubbia) • Messung solarer Neutrinos (1960er - 1994, Davis) • Messung von Neutrinos aus Supernova (1987 Koshiba) • Entdeckung des Top Quarks (1995 Fermi Laboratory) • Nachweis von Neutrino-Oszillationen (1998 Super-Kamikoande, 2001 SNO, 2003 KAMLAND)
