Physik V Einführung: Kern und Teilchenphysik

Vorlesung 1:
Einführung
Physik V
Einführung:
Kern und Teilchenphysik
Georg Steinbrück, Dieter Horns
Universität Hamburg
Winter-Semester 2007/2008
Vorlesung 1:
Einführung
Inhalt
1: Übersicht
1.1 Skalen, Quanten, Kräfte
1.2 Kurze Übersicht Kern- und Teilchenphysik
1.3 Kernphysik
1.4 Methoden der Kern- und Teilchenphysik
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
2
Literaturempfehlungen
Vorlesung 1:
Einführung
Kernphysik:
• T. Mayer-Kuckuk: Kernphysik (Teubner)
Standardwerk über Kernphysik
Teilchenphysik:
• E. Lohrmann: Hochenergiephysik (Teubner, 2005)
experimentell, gut, ausführlich, aktuell
• Ch. Berger: Elementarteilchen (Springer 2001)
experimentell, gut, ausführlich, aktuell
• Martin, Shaw: Elementary Particle Physics (Wiley)
relativ einfache Experimentelle Einführung, aktuell, knapp
• Halzen, Martin: Quarks and Leptons (Wiley)
theoretische Ergänzung, kurz und gut
• D. Grifith: Introduction to Elementary Particle Physics
theoretische Ergänzung, gut, vieles wird explizit gerechnet
• Donald H. Perkins, Introduction to High Energy Physics (Oxford)
Standardwerk
Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Teilchen und Kerne (Springer)
schöne, einfache Einführung
•Aussserdem: Frauenfelder und Henley: Teilchen und Kernphysik (Oldenbourg Verlag)
Standardwerk, aber etwas veraltet
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
• Als Abendlektüre: Steven Weinberg: Die ersten 3 Minuten
3
Vorlesung 1:
Einführung
weitere Literatur
Particle Physics Booklet, Particle Data Group, extracted from Review of Particle
Physics, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 33 (2006); http://pdg.lbl.gov/
Synchrotronstrahlung:
Beugungsbild eines Biomoleküls
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
4
Vorlesung 1:
Einführung
1.1 Skalen, Quanten, Kräfte
Größe
in Metern
in Atomen
10−10
1
1
10000
pn
n np
p
10−14
1
100000
p
10−15
1
100000000
q
e- ≤ 10−18
Typische Energien
-19 J
eV
=
1.6x10
Atomphysik
Kernphysik
keV…MeV
GeV
Teilchenphysik
TeV
(Elementar)Teilchen Wechselwirkungen
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
5
Kern und Teilchenphysik
Vorlesung 1:
Einführung
Zum Vergleich: Atom- und Festkörperphysik:
• Längenskalen >10-10m
• Quantenmechanik: Schrödingergleichung mit Elektrodynamik, Vielteilchensysteme
Teilchen/ Kernphysik:
• Längenskalen < 10-14 m …. 10-18 m …
• Unschärferelation: kleine Abstände große Energien
• Quantenmechanik, spezielle Relativitätstheorie
relativistische Quantenfeldtheorie
Elementarteilchenphysik:
Ziel:
• Auffinden der elementaren (=strukturlosen) Bausteine: Proton u u d Quark
• Untersuchung ihrer Eigenschaften
• Untersuchung der Kräfte, die zwischen den Teilchen wirken: Starke + schwache Kraft neu
• allgemeine Theorie, Grundlagenforschung
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
6
1.2 Kern und Teilchenphysik:
Übersicht
• 3 Familien von je zwei Quarks (q)
• Kommen nur in gebundenen Zuständen vor!
• qq (Mesonen) und qqq (Baryonen)
Vorlesung 1:
Einführung
Baryonen
Mesonen
• 3 Familien von je zwei Leptonen (e-,νe)
• Fermionen: Spin 1/2
Proton
WS 2007/08
Neutron
Steinbrück, Horns: Physik V
7
Fundamentale Wechselwirkungen
Vorlesung 1:
Einführung
• Kräfte vermittelt durch Austauschteilchen.
• Bosonen: Haben geradzahligen Spin
• Form der Kräfte folgt aus Symmetrieprinzip (Eichinvarianz)
• Ziel: Konsistente Theorie, die mit möglichst wenigen Parametern auskommt.
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
8
Vorlesung 1:
Einführung
Elementare Bausteine der Materie
Teilchen
Antiteilchen
νe
νµ
ντ
e—
µ—
τ—
2
2
Leptonen:
2
Quarks:
u+3
c+3
+3
1
1
1
–3
d
–3
s
Ladung
t
–3
b
νe
νµ
ντ
e+
µ+
τ+
-2
-2
-2
u3
c3
1
d
+3
1
+3
s
t3
1
+3
b
in jeweils 3 Familien (vergl. Periodensystem)
Symmetrie: Ordnung
Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen
mit: gleicher Masse
entgegengesetzter Ladung
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
9
Wechselwirkungen und Symmetrien
Vorlesung 1:
Einführung
• Wechselwirkungen unterscheiden sich durch ihre Stärke, Reichweite und
Erhaltungsgrößen.
• Verbindung von Symmetrie
Erhaltungsgröße
Zeitverschiebung
Energieerhaltung
Ortsverschiebung
Impulserhaltung
Drehung
Drehimpulserhaltung
Noether-Theorem
Analog: Ladung, Leptonenzahl, Baryonenzahl für alle WW erhalten(?)
“Quantenzahlen“
Motivation Quantenzahlen: Beispiel Baryonenzahl
• Das Proton (leichtestes Baryon) ist stabil (τ>1031 a)
• Beoachtet wird Neutron beta-Zerfall:
Aber nicht:
WS 2007/08
n → p + e − +ν e
n → p + e − +ν e
Steinbrück, Horns: Physik V
10
Vorlesung 1:
Einführung
Baryonenzahl
• Beoachtet wird:
pp → p + p + p + p
• p, n wird Baryonenzahl B=+1 zugeordnet
• p n wird Baryonenzahl B=-1 zugeordnet
• Baryonenzahl additiv, Bein=Baus
• beobachtet wird
pp → π 0 pp
oder
pp → γpp
Photon, Meson, (W, Z, g) haben B=0
• Das ganze ist konsistent, wenn
Baryonen (qqq) B=1
WS 2007/08
B(q) =
1
3
B (q ) = − 1 3
Mesonen (qq)B=0
Steinbrück, Horns: Physik V
11
Vorlesung 1:
Einführung
Leptonenzahl
• Beoachtet wird:
• nicht aber
µ − → e −ν eν µ
µ − → e −γ
Erlaubt durch Energie-,
Impuls, Drehimpulserhaltung
Einführung Leptonenzahl
(e − ,ν e ) : Le = 1, Lµ = 0, Lτ = 0
( µ − ,ν µ ) :
0
1
0
(τ − ,ν τ ) :
0
0
1
Alle anderen Teilchen haben Leptonenzahl L=0.
Leptonenzahl additiv. Es gilt auch hier: Lein = Laus
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
12
Vorlesung 1:
Einführung
Weitere Erhaltungsgrößen
Folgende Größen sind nur zum Teil erhalten:
„Flavourquantenzahlen“ Isospin, Charm, Beauty, Top
Nicht in allen WW erhalten
Allgemein gilt: Je stärker die WW, desto mehr Quantenzahlen sind erhalten.
Raum-Zeit, Teilchen-Antiteilchen Symmetrie/ Quantenzahlen:
P Parität (Raumspiegelung)
C Ladungskonjugation
T Zeitspiegelung
Und Kombinationen wie CP, CPT. Bemerkung: CPT immer erhalten!
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
13
Vorlesung 1:
Einführung
Zusammenfassung
aktueller Stand http://pdg.lbl.gov
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
14
Stabile Teilchen
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
Vorlesung 1:
Einführung
15
Das Standardmodell der Teilchenphysik
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
Vorlesung 1:
Einführung
16
Das Standardmodell der Teilchenphysik
Vorlesung 1:
Einführung
• Beschreibt das gesamte exp. Wissen, in Bereichen, wo Theorie ausgerechnet
werden kann. Vorhersagen!
• Bisher noch keine ernsthaften Widersprüche Experiment Theorie!
• Alle Kräfte folgen aus einheitlichem Prinzip
• Beschreibung der Massen der Elementarteilchen möglich. Aber: Higgs-Teilchen
noch nicht gefunden.
• >20 freie Parameter (experimentel bestimmt) viel für elementare Theorie
• 3 Teilchenfamilien, 3+1 WW
• Massen der Elementarteilchen sehr unterschiedlich: mtop/me~400000: Warum?
• Unterschied der Kräfte: em/grav=1014. Einbindung der Gravitation noch nicht
gelungen.
Standardmodell erster Schritt. Nicht endgültige Theorie.
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
17
Vorlesung 1:
Einführung
1.3 Kernphysik
• Nuklidkarte: >6000 Kerne, ~300 stabil
• Aufbau der Kerne-Grenzen der Stabilität
• WW zwischen Nukleonen, Rest-WW der gebundenen gg-Zustände
• Kernmaterie unter hohem Druck: Ursprung der Materie, Quark-Gluon
Plasma
•Vielkörperprobleme kompliziert, nicht
analytisch zu lösen. Schwierig,
fundamentale Gesetze zu finden.
• Zahlreiche Anwendungen
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
18
1.4 Methoden der Kern- und Teilchenphysik
Vorlesung 1:
Einführung
Exp. Ergebnisse
Beschreibung durch
Modelle, Theorie
Vorhersage neuer
Experimente
• enge Zusammenarbeit Experiment-Theorie wesentlich
• Entdeckungen als Überraschung: Messgeräte in neuem Bereich
• Bsp. Röntgenstrahlen, J/Ψ-Teilchen, CP-Verletzung
• Entdeckungen aufgrund theor. Vorhersagen: Antiproton, P-Verletzung, W, Z
Bosonen, Higgs-Teilchen?, Supersymmetrie?
• Experimente meist an Teilchenbeschleunigern
HERA ep-Beschleuniger am DESY
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
19
Methoden der Kern- und Teilchenphysik
Vorlesung 1:
Einführung
An Großexperimenten in großen
Kollaborationen: Bsp Zeus/ Hera
Enge Verknüpfung mit Theorie:
Phenomenologie, Modellbildung, Vorhersagen
Enge Verbindungen zu
Kosmologie, Astrophysik, Mathematik, Informatik
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
20
Beschleuniger: Beispiel LHC am CERN
Vorlesung 1:
Einführung
CERN
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
21
Das CMS Experiment am CERN
Vorlesung 1:
Einführung
CMS
Teil des CMS Silizium Spurdetektors:
Hamburger Beteiligung an Aufbau
und Inbetriebnahme
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
22
Das CMS Experiment am CERN
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
Vorlesung 1:
Einführung
23
Das Higgs Boson bei CMS
Vorlesung 1:
Einführung
Gluonen aus Protonen: gg H
Higgs Entdeckung unvermeidbar (falls es existiert)
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
24
Ein Higgs Ereignis bei CMS
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
Vorlesung 1:
Einführung
25
Historische Entwicklung (willkürliche Auswahl)
Experiment
1895 Röntgen Röntgenstrahlen
1896 Becquerel Radioaktivität
1897 Thomson Elektron (e/m)
1911 Rutherford Atomkern
1922 Compton Compton Effekt
1932 Chadwick Neutron
1932 Anderson Anti-Elektron
1937 Anderson, Neddermayer Myon
1939 Hahn, Straßmann Kernspaltung
1952 Fermi, Anderson
Nukleonresonanzen
1955 Chamberlain, Segre+ Anti-proton
1956 Reines,Cowan Neutrino
1964 Cronin, Fitch CP-Verletzung
1968 SLAC Quarks in ep-WW
1974 Richter,Ting J/ψ-Teilchen
1974 Ledermann Υ-Teilchen
1979 DESY Gluon
1983 CERN W-Z-Teilchen
1989 CERN No. Neutrinos = 3
1994 FNAL Top-Quark
1998 Japan Neutrinooszillation
1998 GSI Kern mit Z=114
Vorlesung 1:
Einführung
Theorie
1900 Planck Wirkungsquantum
1905 Einstein Photon, E=mc2
1927 Dirac Antimaterie
1932 Heisenberg Isospin
1933 Pauli Neutrino
1934 Fermi Theorie β-Zerfall
1935 Yukawa Mesonen-hypothese der
Kernkraft
1935 Weizsäcker Kern-Massenformel
1949 Tomonaga, Feynman, Schwinger
QED
1949 Göppert-Mayer, Jensen
Schalenmodell Kern
1956 Lee, Yang Paritätsverletz.
1964 Gell-Mann, Zweig Quark-hypothese
1964 Glashow,Weinberg,Salam Elektroschwache Verein.
1973 Fritzsch, Gell-Mann QCD
1973 Green, Politzer, Wilczek
Asymptotische Freiheit
2000 FNAL τ-Neutrino
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
26
Vorlesung 1:
Einführung
Anwendungen
Abfallprodukte der Kern- und Teilchenphysik
• WWW + grid Computing
• Beschleuniger und Nachweismethoden in
• Festkörperphysik, Materialwissenschaften
• Chemie, Biowissenschaften
• Medizin (Therapie und Diagnose)
• Energie
Gasdetektor für Röntgenanalyse
Synchrotronstrahlung:
Beugungsbild eines Biomoleküls
Strukturbestimmung Biomolekül
Fledermaus: Radiographie 9 keV Photonen
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
27
Kern- und Teilchenphysik im frühen Universum
Vorlesung 1:
Einführung
Beobachtung: Universum expandiert Anfangszustand großer Dichte, hoher Temp.
Urknall
Thermodynamik im sehr frühen Universum
Reaktions-Gleichgewicht aller Prozesse, für die bei dieser Temp. genug Energie vorhanden ist.
z.B.
z.B.
e+pH+γγ
γ+He+p
Eγ>13.6 eV
4p He++
E~MeV
Synchrotronstrahlung:
e+e-tt
Eee>mtopc2 = 175 GeV, ½ kT = Eee T=1026K
Beugungsbild eines Biomoleküls
Zeit seit Urknall: 10-34 s
Teilchen und Kernphysik (Quantenmechanik) bestimmen Entwicklung des Universums
Experimente der Kosmologie beeinflussen Teilchenphysik
• kosmische Hintergrundstrahlung
• großräumige Strukturen im Kosmos
• Dunkle Materie
•kosmologische Konstante
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
28
Kern- und Teilchenphysik im frühen Universum
Vorlesung 1:
Einführung
Synchrotronstrahlung:
Beugungsbild eines Biomoleküls
WS 2007/08
Steinbrück, Horns: Physik V
29