Detektor - Elementary Particle Physics

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Hands on Particle Physics
Masterclass
Oliver Grünberg
1
Fahrplan
1.
Einführungsvortrag (45 Min.)
2.
Diskussion & Pause (20 Min.)
3.
Einführung in die Messungen (30 Min.)
4.
Datenauswertung & Pause (75 Min.)
5.
Ergebnisanalyse & Diskussion (15 Min.)
6.
Abschlussquiz (20 Min.)
7.
Vorstellung des Netzwerkes Teilchenwelt (10 Min.)
2
1. Teil
EINFÜHRUNG IN DIE
TEILCHENPHYSIK
3
Wozu Teilchenphysik?

Klärung der Grundfragen der Physik
◦
◦
◦
◦
Welche elementaren Teilchen gibt es ?
Welche Kräfte gibt es ?
Wie entstand unser Universums ?
Gibt es eine Weltformel ?
4
Von groß nach klein
Auflösung
bis ca. 1mm
Auge
Auflösung bis ca.
1µm = 0,001mm
Lichtmikroskop
…. und weiter ?
5

Wie sehen wir Strukturen?
Sehen = Abbilden !



Wir sehen nur ein
Abbild des Objekts
Photonen „tasten“
Oberfläche des
Objekts ab
Objekt
Lichtquelle
Detektor
Genauigkeit des
Abbilds ist begrenzt
durch Eigenschaften der „Lichtquelle“
und des Detektors
6
Auflösung von Strukturen

Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten
1.

2.
3.
Detektor
Keine Auflösung der Punkte/Lücke falls
„Photonen > Struktur“
7
Auflösung von Strukturen

Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten
Detektor
1.
2.
3.
Kleine Strukturen  „kleine“ Photonen
 Größe der Lichtteilchen gegeben durch
Wellenlänge λ
 Sichtbares Licht: λ= 400 – 800 nm
 Auflösung für Auge somit stark begrenzt!

8
Neue Wege zur Untersuchung

Benutze anderes Teilchen als Photon

Quantenphysik sagt uns:
◦ h – Planckkonstante
◦ p – Impuls des Teilchens: p=m∙v

 hp
Folgerung: Teilchen mit hohem Impuls haben
kleine Wellenlänge:
◦ Nutze schnelle Elektronen statt Photonen
◦ Elektronenmikroskop
9
Virus 
 Siliziumkristalle
10
Streuversuche
11
Entdeckung der Atomstruktur

Rutherford Streuexperiment (1910)
  0,11014 m
+
Elektron
+
Atomkern
12
Entdeckung der Quarks


Beschuss von Protonen mit schnellen Elektronen
Streuung der Elektronen an Quarks
Detektor
13
Grundlagen
10 3 m





10 9 m
10 10 m
10 14 m
10 15 m
1803: Elemente bestehen aus unteilbaren
Einheiten (Atomen)
1897: Entdeckung des Elektrons
1910: Atome haben Kern und Schale
1935: Kern besteht aus Protonen & Neutronen
1960er: Protonen & Neutronen bestehen aus
Quarks
 10 18 m
14
Bekannte Materieteilchen
Bekannte Materie
besteht aus Teilchen
der 1. Familie
 Je höher die Familie
desto schwerer die
Teilchen
 2. und 3. Familie nur kurz
nach dem Urknall
vorhanden

15
Bewegungsgesetze

Wir wissen jetzt woraus Materie besteht, aber wie
verhält sie sich?
◦ Bsp: Gravitation - Flugkurve beim Kugelstoßen
Newtonsche Mechanik:
Ansatz : Fy  m  y  m  g
Fx  x  0
Lösung :
g 2
y   t  v y  t  y0
2
x  vx  t  x0
16
Bewegungsgesetze


Kräfte sind die Ursache für Bewegungen (Dynamik)
Es gibt 4 bekannte Kräfte im Universum
◦ Gravitation, Elektromagn., starke Kraft, schwache Kraft


Ab 1925: Quantenmechanik (Atome, Moleküle)
Ab 1928: Quantenfeldtheorie für schnelle Teilchen
(Teilchenbeschleuniger)
17
Kräfte und Ladungen
Zu jeder Kraft gehört eine Ladung
 Teilchen tragen Ladungen
 Kräfte koppeln an die Ladung eines
Teilchens (Bsp. F=m∙g  Gravitation ~ Masse)
 Kräfte können abstoßend oder anziehend sein
 Kraftwirkung = Übertragung von Energie und Impuls
durch Kraftteilchen

Photon
Elektron
Elektron
18
Ladungen von Teilchen

4 fundamentale Wechselwirkungen

4 fundamentale Ladungen:
◦
◦
◦
◦
1. Farbladung  Starke Wechselwirkung
2. Elektr. Ladung  Elektromagnetismus
3. Schw. Ladung  Schwache Wechselwirkung
4. Energie, Masse  Gravitationskraft
Summe der Ladungen bleibt erhalten
 Ladungen eines Teilchens beeinflussen sich nicht
gegenseitig

19
Bsp.: die 3 Gesichter eines Quarks
Photon
Gluon
(el. Ladung)
(Farbe)
Quark
F=R,G,B
Q= ± 1/3, ±2/3
T=1/2,0
W,Z
(Schwache Ladung)
20
Die elektromagnetische Kraft

Eigenschaften
◦
◦
◦
◦

Ladung: elektrische Ladung Q
Kraftteilchen: Photon
Empfänger: Quarks, Elektronen, Protonen
Reichweite: RE   , Stärke: S E  1
Beispiele: Laser, Radiowellen, Röntgenbilder,
chemische Bindungen
21
Die starke Kraft

Eigenschaften
◦
◦
◦
◦
◦

Ladung: 3 Farbladungen - rot, grün, blau
Kraftteilchen: Gluon
Empfänger: Gluon, Quark, Proton, Neutron
Reichweite: RS  1015 m
Stärke: S S  20  S E
Beispiele: stabile Atomkerne, Quarkbindung
zu
Proton:
u
u d
Pion:


d
u
22
Die schwache Kraft

Eigenschaften
◦
◦
◦
◦
◦

Ladung: schwache Ladung (T = 1/2,0)
Kraftteilchen: W±, Z0
Empfänger: Quarks, Leptonen
Reichweite: RW  10 18 m
Stärke: SW  1 / 100  S E
Beispiele: Beta-Zerfall von Neutron und Proton
23
Die Gravitation





Ladung: Energie, Masse
Kraftteilchen: Graviton(?)
Stärke: SG  1040  S E
Reichweite: RG  
Beispiele: Erdanziehung, Planetensysteme,
Schwarze Löcher
24
Zusammenfassung Kräfte
RS  1015 m

RS  1018 m
10 40

25
Feynman-Diagramme
(Sheldon zeigt Penny Feynman-Diagramme des Top-Quarks Zerfalls)
Feynman-Diagramme
Darstellung der Wechselwirkungen
 Berechnungen anhand der Graphen möglich
 Bsp.

W-
Elektron-Elektron
Streuung
Elektromagn. WW.
Myon-Zerfall
Schwache WW.
27
Zusammenfassung:
Teilchen & Kräfte (bis März 2013)
28
Zusammenfassung:
Teilchen & Kräfte (ab März 2013)
Higgs
29
Was ist das Higgsteilchen ?
Im SM sind alle Teilchen masselos
 Ansatz: Es gibt ein allgegenwärtiges Higgsfeld
(Higgsfeld = Raumbereich in dem Higgsteilchen wirken)
 WW des Higgs-Teilchen mit anderen Teilchen
verleiht ihnen Masse

Vakuum: Higgs-Teilchen alleine
reelles Teilchen „zieht“ HiggsT. an 
Teilchen wird gebremst
und träge, d.h. es wird massiv
Higgsfeld und Massenerzeugung
WW Feld – Teilchen
1. Beschleunigung eines
Elektrons durch
elektrisches Feld
(Energieübertragung)
2.
Higgsfeld übeträgt
Energie = Masse / c²
via Higgsteilchen
an das Elektron
LHC - Die Higgsfabrik
LHC = Large Hadron Collider
 Kollidiert Protonen mit
E(Proton) = 4000 TeV  v = c – 9m/s
 Länge: 27 km
 4 große Experimente:

Produktion von Higgsteilchen

Higgsteilchen können erzeugt werden,
wenn Protonen mit hoher kinetischer
Energie kollidieren, bspw:
Proton
Gluon
q
„Gluonfusion“
q
q
Gluon
Proton

Produktionsrate insgesamt:
~10 Higgs / Minute
Higgs
Nachweis des Higgsteilchens
Das Higgs zerfällt auf viele Arten
 Zwei gut messbare Zerfälle:
γ
q

q
H
P = 0.23%
q
Z0
H
Z0
γ
l+ l = e,µ
l-
l+
l-
P = 0.03%
Ergebnisse: Higgs → γγ
Higgs → 4l ( l = e,µ )
Ereignisbild mit Higgs →μμμμ
Physiknobelpreis 2013

An Peter Higgs und Francois Englert
für die Theorie des Higgsmechanismus
Offene Fragen

1. Frage: Wie entstand unser Universum?
41
Offene Fragen

2. Frage: Wo ist die Antimaterie?
 Am Anfang des Universums gab es gleich viel Materie und
Antimaterie
 Eine Sekunde später war die Antimaterie weg

CP-Verletzung: Materie und Antimaterie verhalten sich
ein bisschen unterschiedlich
Offene Fragen

3.Frage: Woraus besteht unser Universum?
◦ bekannter Materie macht nur 4% unseres Universums aus
43
Offene Fragen

4. Frage: Gibt es eine Weltformel?
◦ Zusammenführen von Theorien schon teilweise gelungen!
Elektrostatik
Magnetostatik
Elektrodynamik (1864)
Schwache
Wechselwirkung
QED (1940er)
Starke
Wechselwirkung
Gravitation
Elektroschwache Wechselwirkung (1967)
2010
Große Vereinheitlichung
Weltformel – „Theory of Everything“
44
Offene Fragen
5. Haben Quarks Unterstrukturen?
 6. Weitere Elementarteilchen?
 7. Weitere Dimensionen?

… es gibt noch viel zu tun!
45
2.Teil
MESSUNG DES
Z0-ZERFALLS
46
Das Opal-Experiment
Vielzweck-Experiment am CERN
von 1989 bis 2000
 Ziel: Erforschung des Z0 und seiner
Zerfälle
 Grundprinzip: Kollision von e+ und eund Erzeungung von Z0

47
Das Z0-Boson
1960er:Vorhersage in der Theorie
der elektroschwachen Kraft
 1983: 1. direkter Nachweis am CERN
 1990er: genaue Erforschung durch OPAL
 Eigenschaften:

◦ Masse = 91,2 GeV/c²
… GeV/c²?
48
Masse und Energie

Einstein sagt: E=mc²  m=E/c²
27
10
m
(
p

)

1
,
67

10
kg

1
,
5

10
J / c²
 Umrechnung:


19
1
eV

1
,
6

10
J
Nutze Einheit Elektronenvolt:
Typische Größe: 1`000`000 eV = 1MeV
◦ Bsp.
m(γ)=0 MeV/c²
m(e-) = 0.5 MeV/c²
m(µ-) = 106 MeV/c²
m(p+) = 938 MeV/c²
m(Z0) = 91200 MeV/c² = 91,2 GeV/c²
49
Das Z0-Boson




1960er:Vorhersage in der Theorie
der elektroschwachen Kraft
1983: 1. direkter Nachweis am CERN
1990er: genaue Erforschung durch OPAL
Eigenschaften:
◦
◦
◦
◦
Masse = 91,2 GeV/c² ≈ 97 H-Atome
Elektrisch neutral
Lebensdauer:   1,3 1025 s
Unterliegt der schwachen WW und Gravitation
50
Das Z0 Teilchen ist käuflich!
http://www.particlezoo.net/
Zerfälle von Teilchen





Fast alle Teilchen sind instabil und Zerfallen
(außer Proton, Photon, Elektron)
Art und Weise der Zerfälle durch Naturkräfte
bestimmt
Teilchenphysiker rekonstruieren Teilchen aus
seinen langlebigen Zerfallsprodukten
Bsp: Betazerfall: n → p + e- + ν
Wichtig für alle Zerfälle:
n
◦ Messung von Energie & Impuls
◦ Energie- & Impulserhaltung
E (n)  E ( p)  E (e )  E ( )


 

P(n)  P( p)  P(e )  P( )


e

p
52
Ergebnis der Neutronrekonstruktion

Lebensdauer (τ) und Energiebreite (σ) sind
verknüpft:     h  6.6 1034 J  s
53
Lebensdauer und Zerfallsbreite

Die Lebensdauer/Zerfallsbreite eines Teilchens
ist abhängig von Zahl der möglichen Zerfälle
(„Zerfallskanäle“)  n
3
1
„Je mehr Löcher desto
schneller ist der Eimer
leer“
 ~ 1/ n
2

Je mehr Zerfälle desto breiter das
Energiespektrum
1/  ~  ~ n
54
Bedeutung des Z0
Zentrale Frage:
Wieviele Teilchen-Generationen gibt es?
 Besonderheit des Z0:
Es zerfällt nur in Teilchen einer Familie!

55
Zerfallsbreite des Z0
Breite gibt Aufschluss über Zahl der
Familien = Zahl der Neutrinos
• Zerfallsbreite des Z0 spricht für
3 Neutrinosorten  3 Teilchenfamilien

56
Zerfallswahrscheinlichkeit

Heute: Messe die Zerfallswahrscheinlichkeiten
des Z0
N xx
 Definition: P( Z 0  xx ) 
NZ 0

Betrachte 4 Zerfallsmöglichkeiten:
◦
◦
◦
◦
1. Z0  e+ e2. Z0  µ+ µ3. Z0  τ+ τ4. Z0  quark anti-quark
57
Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor
58
Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor
59
Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor
Kalorimeter
aus Bleiglas
MyonenDetektor
60
Z0 Zerfälle im OPAL-Detektor
61
Backup
62
Der Teilchenzoo
63
Relativitätstheorie

Energie-Masse Äquivalenz: E=mc²
◦ Genauer: E 2  (mc2 ) 2  ( pc) 2  m2  p 2
◦ Falls: p  mv  0 
 E  mc2
◦ Masse: unveränderlicher Teil
der Gesamtenergie (Bsp. Kugel)
E² = m² + p²
E
p
m
64
Lebensdauer und Zerfallsbreite
1. Schwere Teilchen zerfallen immer in
leichtere, wenn möglich!
 2. Der Zerfall eines Teilchens ist ein
statistischer Prozess!

 Manche Z0 leben länger als andere
N0
N  N0  e
Zerfallsgesetz:
 t /
37%  N 0
0

t
65
Quantenphysik & Relativität

Teilchen-Welle-Dualismus:
◦ auch massive Teilchen haben
Welleneigenschaften (Interferenzeffekte)
Klassisch
66
Quantenphysik & Relativität

Teilchen-Welle-Dualismus:
◦ auch massive Teilchen haben
Welleneigenschaften (Interferenzeffekte)
Modern
67
Quantenphysik & Relativität

Teilchen-Welle-Dualismus:
 hp
◦ auch massive Teilchen haben
Welleneigenschaften (Interferenzeffekte)
Modern
68
Zusammenfassung:
Teilchen & Kräfte (bis März 2013)
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