Physik mit Teilchen, Kernen und Sternen
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Physik mit Teilchen, Kernen und Sternen Das Exzellenzcluster ‚Origin and Structure of the Universe‘ Prof. Stephan Paul Vom Kleinen zum Schülertag Grossen – Der Kreis der Physik TUM - 1.2.2007 2 Kräfte und Wechselwirkungen • Art des ausgetauschten Teilchens bestimmt WW • Reichweite der Wechselwirkung: – Austauschteilchen is virtuelles Teilchen→ Energiesatz wird verletzt E t mit E mTeilchen und vmax c in Zeit t zurückgelegte Distanz: r c mTeilchen 200 fm mTeilchen [ MeV ] – Hohen Massen (Energien) Kleine Abstände untersuchen Schülertag TUM - 1.2.2007 3 Wechselwirkungen II • Masselose Teilchen: Graviton, Photon geben eine unendliche Reichweite (1/r-Gesetz) • Teilchen der Masse m = 80 GeV → Reichweite; 2.5∙10-3 fm ca. 1/1000 Größe eins Protons (schwache WW) • Teilchen der Masse m = 140 MeV → Reichweite: 1,4 fm (Kernkraft) Schülertag TUM - 1.2.2007 4 Die Bausteine der Welt Schülertag TUM - 1.2.2007 5 Die Suche nach dem Ursprung der Masse • Urbausteine (Quarks/Leptonen) haben Masse – Es gibt leichte Bausteine (u,d-Quark, Elektron) – Es gibt schwere Bausteine (b,t-Quark, muon/t-Lepton) ca. 1000-10000 mal schwerer • Warum – Haben Bausteine die gemessenen Massenwerte – Gibt es Bausteine mit so unterschiedlicher Masse • Higgs-Mechanismus – Hintergrundfeld erzeugt Masse (Higgs-Teilchen) – Vgl. Schumacher in Fangemeinde..... Schülertag TUM - 1.2.2007 6 Der Higgs-Effekt – Wie Masse Entsteht Schülertag TUM - 1.2.2007 7 10-43 Sekunden: Der Vorhang hebt sich… Raum und Zeit sind schaumig…. Superstrings: eine ‘Weltformel’ ? • • • • Alle Kräfte sind vereint Die Welt ist 10-dimensional Doch nur 4 Dimensionen haben nn der Expansion des Raumes teilgenommen, Schülertag TUM - 1.2.2007 sind aufgrollt Die anderen Dimensionen 8 10-35 - 10-32 s: Inflation: Innerhalt 10-32 Sekunden expandiert der Raum um das 1050-fache • QuantenFluktuationen in der Energiedichte werden verstärkt (3 K Hintergrundstrahlung) • Sie bilden die Grundlage für die spätere Entstehung von Galaxien Schülertag TUM - 1.2.2007 9 Das Babyfoto: MikrowellenTemperaturschwankungen Cobe 1994 2006 WMAP 2003 Schülertag TUM - 1.2.2007 10 Ein winziger Überschuss von Materie zu Antimaterie wird erzeugt Aus der 1 in der neunten Stelle hinterm Komma sind WIR gemacht Schülertag TUM - 1.2.2007 11 Bis 10-10 Sekunden: Suppe aus Elementarteilchen und Austauschbosonen in steter WW Dabei Abkühlung durch räumliche Expansion und Änderung der Kopplungsstärken Schülertag TUM - 1.2.2007 12 10-10-10-6 Sekunden: Elektroschwache Symmetriebrechung Neutrinos entkoppeln: schwache WW wird zu schwach, Neutrinos sehen andere Teilchen zu selten Schülertag TUM - 1.2.2007 13 Wie betrachte ich verschiedene Größenskalen ? Schülertag TUM - 1.2.2007 14 Mikroskope..... Nutzbare Energie zur Erzeugung von Neuem: √s = E1+E2 Baue Collider (zwei kollidiernde Strahlen) Ringbeschleuniger Beschleungungsstrecke Schülertag TUM - 1.2.2007 Umlenkmagnete 15 CERN – Herr der Ringe 8.6 km Schülertag TUM - 1.2.2007 16 CERN Beschleuniger und das LHC 8 TeV auf 8 TeV Kollisionen.... Mp ~ 1 GeV und E=mc2 Testaufbau LHC-Ring - Simulation Schülertag TUM - 1.2.2007 17 Wie sieht ein Detektor aus ? Schülertag TUM - 1.2.2007 18 Eindrücke eines Superdetektors Transportprobleme ?? Zentraler Detektorteil - Rohbau Schülertag TUM - 1.2.2007 19 Was passiert bei einer harmlosen Kollision ? Strahl Strahl Schülertag TUM - 1.2.2007 20 Kollisionen bei hohen Energien: Higgs Teilchen simuliert Schülertag TUM - 1.2.2007 21 10-4-10-2 Sekunden: Proton und Neutron kondensieren aus der Suppe von Quarks und Gluonen (Quark-Gluon Plasma) Ansicht eines Protons Mit hoher Auflösung Schülertag TUM - 1.2.2007 22 10-2-103 Sekunden: Entstehung der ersten Elemente Primordiale Nukleosynthese Es gibt keine stabilen Elemente mit A=5 4He Schülertag TUM - 1.2.2007 ist Endstation Die ersten 3 Minuten sind vorüber 23 Messung der Lebensdauer des Neutrons Proton Nachweis Neutron trajectories good bad Die Neutronenextraktion Der Reaktortank Magnetischer Multipol Beff ~ 2T FRM II der TUM Stromleiter Schülertag TUM - 1.2.2007 Einlasskonfiguration 24 105 Jahre: Entstehung der Atome Entkopplung der Photonen Ab 109 Jahre: Entstehung der Sterne und Galaxien Schülertag TUM - 1.2.2007 25 Elemtenstehung - Was macht ein Stern ? Schülertag TUM - 1.2.2007 26 Was macht die Sonne ? Kernfusion im Herzen der Sonne: 4 p 4He + 2e+ + 2ne (+ 26.7 MeV) genauer: ne ne ne ne ne Neutrino energy [MeV] auf der Erde: 65 Milliarden Neutrinos pro s und cm2 Schülertag TUM - 1.2.2007 27 Licht und Neutrinos von der Sonne.. Stimmt das ? 50 000 t H20 Cerenkov Detektor 40 m hoch 40 m Ø 11146 Lichtdetektoren 50 cm Ø 1 km tief in Kamioka Mine, Japan Schülertag TUM - 1.2.2007 28 Ende einer Supernovaexplosion: Bis jetztSchwarzes Loch Im Zentrum jeder Galaxie findet sich Elemente: ein schwarzes Loch: Entstehung der schweren Beispiel: unsere Milchstrasse (Bild im Nahinfraroten - VLT): Supernovaexplosionen Schülertag TUM - 1.2.2007 29 Kernphysik – Die Landkarte der Kerne Schülertag TUM - 1.2.2007 30 Entstehung neuer Elemente im Labor GSI – Ionenbeschleuniger UNILAC Schülertag TUM - 1.2.2007 31 Dennoch…. Wir wissen wenig Sterne und Galaxien machen nur ~0.5% aus Neutrinos ~0.3–10% Rest normaler Materie (Elektronen and Protonen) ~5% Dunkle Materie ~30% Dunkle Energie ~65% Anti-Materie 0% Higgs Kondensate ~%?? Schülertag TUM - 1.2.2007 32 Unsere Instrumente für große Objekte Paranal VLT Chile (ESO) Universitätsternwarte (LMU) - Wendelstein Schülertag TUM - 1.2.2007 33 Und Wie War’s Ganz Am Anfang ? Schülertag TUM - 1.2.2007 34 Mehr Info auf: www.universe-cluster.de Schülertag TUM - 1.2.2007 35