Die Welt der kleinsten Teilchen. Woraus ist die Welt
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Die Welt der kleinsten Teilchen Woraus ist die Welt, woraus sind wir selbst gemacht? (Dank an Prof. Kolanoski und Prof. Kobel fuer die Ueberlassung einiger Folien) Dominik Stoeckinger, TU Dresden 1 Die Welt der kleinsten Teilchen Woraus ist die Welt, woraus sind wir selbst gemacht? t s is a W da n? dri Gedanken der griechischen Philosophen: Demokrit (460­371 v.Ch.) u.a.: Materie besteht aus unteilbaren, kleinen Bausteine = atomos (α τ ο µ ο σ ) = unteilbar Aber auch: Aristoteles u.a.: Der Raum ist kontinuierlich mit Materie ausgefüllt Dominik Stoeckinger, TU Dresden 2 Die Materie ist „körnig“, aus Bausteinen aufgebaut Empirische Hinweise auf atomare Struktur der Materie erst im 19.Jahrhundert: 1) Elemente verbinden sich in immer gleichen Gewichtsverhältnissen: 16g Sauerstoff + 2 g Wasserstoff = 18 g Wasser 2 : 16 weil Masse(O) = 16 × Masse(H) 2) Druck und Temperatur in Gasen erklärbar durch bewegte Teilchen Schlussfolgerungen sind indirekt. Konkreter fragen, z.B.: Wie gross sind die Teilchen? Dominik Stoeckinger, TU Dresden 3 Dominik Stoeckinger, TU Dresden 4 Immer noch indirekt. Kann man Teilchen sichtbar machen? Dominik Stoeckinger, TU Dresden 5 Wie kann man kleine Teilchen „sehen“ ? E.Rutherford misst die Struktur der Atome durch Streuversuche Dominik Stoeckinger, TU Dresden 6 Wie kann man kleine Teilchen „sehen“ ? E.Rutherford misst die Struktur der Atome durch Streuversuche a) Rutherfords Erwartung b) Rutherfords Ergebnis Dominik Stoeckinger, TU Dresden Rutherford Applet 7 Rutherford‘s Atommodell: 10­14 m 10­8 m Kern : Atom = 1 : 10 000 ⇒ das Atom ist leer ! Und das Atom ist nicht unteilbar – es besteht aus Elektronen und dem Kern und woraus bestehen die…? Dominik Stoeckinger, TU Dresden 8 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen 1/10.000.000 > 0,01 < m Kristall 1/10 10-9 m Molekül 1/10.000 10-10 m Atom 1/1.000 1/10 10-14 m Atomkern 10-15 m Proton <10-18 m Quark, Elektron Elektron, Quark: <10-18m = 0,000000000000000001m punktförmig? Dominik Stoeckinger, TU Dresden 9 Die Struktur der Materie: Materie ist aus Bausteinen aufgebaut, Vielfalt der Natur durch Zusammensetzen von Elementarem Dominik Stoeckinger, TU Dresden 10 Beobachtung Es gibt Elementarteilchen Und Elementarkräfte Warum eigentlich ? Theorie: Dominik Stoeckinger, TU Dresden 11 Beobachtung Es gibt Elementarteilchen Und Elementarkräfte Entspricht der Theorie: Relativitaet+Quantenmechanik Dominik Stoeckinger, TU Dresden 12 Experimente Welche Teilchen ? Welche Kräfte ? … Antworten durch Experimente Dominik Stoeckinger, TU Dresden 13 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen 1/10.000.000 > 0,01 < m Kristall 1/10 10-9 m Molekül 1/10.000 10-10 m Atom 1/1.000 1/10 10-14 m Atomkern 10-15 m Proton <10-18 m Quark, Elektron Elektron, Quarks: fundamentale Elementarteilchen Dominik Stoeckinger, TU Dresden 14 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen ­ Systematik 4 Teilchen reichen, um alle Materie im Alltag zu beschreiben! Proton = u,u,d Neutron= d,d,u Atome = e,Protonen,Neutronen Neutrinos z.B. aus Kernfusion in der Sonne Dominik Stoeckinger, TU Dresden 15 Experimente Welche Teilchen ? Welche Kräfte ? … Antworten durch Experimente Dominik Stoeckinger, TU Dresden 16 Die fundamentalen Kräfte in der Natur p n n n pn p n n np p n p p pp p n Dominik Stoeckinger, TU Dresden 17 Teilchen als Kraftvermittler Abstoßend Anziehend Kraft durch Austauschteilchen vermittelt Dominik Stoeckinger, TU Dresden 18 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen ­ Systematik 4 Materie­Teilchen und 4 Kraft­Teilchen reichen, um alle Alltagsphaenomene zu beschreiben! Dominik Stoeckinger, TU Dresden 19 Experimente Es gibt noch mehr Teilchen, die bei sehr hohen Energien auftreten! Welche Teilchen ? Welche Kräfte ? … Antworten durch Experimente Dominik Stoeckinger, TU Dresden 20 ZEUS H1 G n 920 e n o t o Pr Ele ktro nen 27. 6 G eV eV Dominik Stoeckinger, TU Dresden 21 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen ­ Systematik 2 weitere “Generationen” von Materieteilchen ­ identische Eigenschaften, nur andere Masse warum???? Dominik Stoeckinger, TU Dresden 22 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen ­ Systematik Dies ist heute gesichertes Wissen! 2 weitere “Generationen” von Materieteilchen ­ Theorie: dies kann aber nicht alles sein! Teilchenmassen nur im Einklang mit identische Eigenschaften, nur andere Masse Relativitaet+Quantenmechanik, wenn es zusaetzliche Teilchen gibt!!! warum???? Vorhersage: Higgsboson! Dominik Stoeckinger, TU Dresden 23 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen ­ Systematik Diese Teilchen definieren das “Standardmodell” eine in sich geschlossene Theorie, die alle beobachteten Phaenomene beschreibt Dominik Stoeckinger, TU Dresden 24 HIGGS­Teilchen Higgs­Teilchen „gibt“ allen Teilchen Masse Wie kann man das verstehen???? Masse ⇔ Trägheit Der britische Wissenschaftsminister wollte das auch verstehen, bevor er das Geld für den „Large Hadron Collider“ locker macht …….. Dominik Stoeckinger, TU Dresden 25 Wie die HIGGS­Teilchen träge machen Partygäste… Prominenter kommt – Wellenbewegung in Richtung Tür Masse ⇔ Trägheit Gäste = Higgs­Feld Prominenter = massives Teilchen Dominik Stoeckinger, TU Dresden Gäste suchen die Nähe des Prominenten Prominenter wird unbeweglich – bekommt Masse 26 Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen ­ Systematik Diese Teilchen definieren das “Standardmodell” Vorhersage: Higgs­Feld fuellt das ganze Universum aus Wellenbewegung im Higgs­Feld = Higgs­Teilchen experimentell nachweisen! Dominik Stoeckinger, TU Dresden 27 Large Hadron Collider im CERN/Genf Dominik Stoeckinger, TU Dresden 28 Large Hadron Collider im CERN/Genf Suche nach Higgs­Teilchen ATLAS detector Dominik Stoeckinger, TU Dresden 29 Large Hadron Collider im CERN/Genf Suche nach Higgs­Teilchen file:///home/Desktop/TPK.jpg ATLAS detector Dominik Stoeckinger, TU Dresden 30 Large Hadron Collider im CERN/Genf Suche nach Higgs­Teilchen Verstaendnis des Urknalls ATLAS detector Dominik Stoeckinger, TU Dresden 31 Large Hadron Collider im CERN/Genf file:///home/Desktop/060821_darkmatter.jpg Suche nach Higgs­Teilchen Verstaendnis des Urknalls Untersuchung von dunkler Materie Dunkle Materie Normale Materie ATLAS detector Dominik Stoeckinger, TU Dresden 32 Offene Fragen Gibt es das Higgs­Teilchen/Feld wirklich??? Dominik Stoeckinger, TU Dresden 33 Offene Fragen Gibt es das Higgs­Teilchen/Feld wirklich??? ­> LHC Warum 3 Generationen???? ­> schwierig Dominik Stoeckinger, TU Dresden 34 Offene Fragen Gibt es das Higgs­Teilchen/Feld wirklich??? ­> LHC Warum 3 Generationen???? ­> schwierig Woher die Struktur der Kraefte und der Quarks/Leptonen??? ­> grosse Vereinigung (GUT) ­> erste Hinweise von Theorie und Experiment Dominik Stoeckinger, TU Dresden 35 Offene Fragen Gibt es das Higgs­Teilchen/Feld wirklich??? ­> LHC Gibt es wirklich nur ein einzelnes Higgs­Teilchen??? ­> wahrscheinlich nicht!!! ­> wahrscheinlich gibt es noch viel mehr Teilchen, die wir noch nicht kennen!!! ­> und auch neue Strukturen Dominik Stoeckinger, TU Dresden 36 Offene Fragen Supersymmetrie: Jedes Teilchen hat SUSY Partner (aehnlich Antimaterie) Dominik Stoeckinger, TU Dresden 37 Offene Fragen Fundamentale Fragen: Woher kommt Higgs­Feld? Gibt es grosse Vereinigung? Woraus besteht dunkle Materie? Supersymmetrie: Jedes Teilchen hat SUSY Partner (aehnlich Antimaterie) Dominik Stoeckinger, TU Dresden 38 Offene Fragen Fundamentale Fragen: SUSY erzeugt Higgs­Feld Woher kommt Higgs­Feld? Gibt es grosse Vereinigung? Mit SUSY moeglich Woraus besteht dunkle Materie? SUSY Teilchen? Supersymmetrie: Jedes Teilchen hat SUSY Partner (aehnlich Antimaterie) Dominik Stoeckinger, TU Dresden 39 Large Hadron Collider im CERN/Genf Suche nach Higgs­Teilchen Suche nach SUSY­Teilchen Verstaendnis des Urknalls Untersuchung von dunkler Materie ATLAS detector Dominik Stoeckinger, TU Dresden 40 Das Ziel: die Welt verstehen …. file:///home/Desktop/bb.jpg vom Kleinsten … ….bis zum Größten + Kraftteilchen γ , W± , Z0, 8 Gluonen, Graviton + Higgs Dominik Stoeckinger, TU Dresden 41 Einschub: Beispiele f. theoretische Ueberlegungen Fundamentale Folgerungen aus fundamentalen Naturgesetzen Quantenmechanik + Relativitaetstheorie Wie gross sind Elementarteilchen? ...immer kleinere Bestandteile? Unschaerferelation der Quantenmechanik Annahme: Teilchengroesse R Teilchenmasse/Ruheenergie M Annahme: Teilchen besteht aus kleineren Bestandteilen: Aber: Damit: x R , pM x pℏ /2 R M ℏ /2 ℏ /2 =1 0 −1 6 GeV m Wie gross sind Elementarteilchen? ...immer kleinere Bestandteile? Unschaerferelation der Quantenmechanik Atom Proton Quarks 10−10 m Annahme: Teilchengroesse R 1GeV Teilchenmasse/Ruheenergie M Annahme: Teilchen besteht aus kleineren Bestandteilen: Aber: Damit: x R , pM x pℏ /2 R M ℏ /2 ℏ /2=10 −16 GeV m 10−15 m 10−17 m 1GeV 0.1GeV Wie gross sind Elementarteilchen? ...immer kleinere Bestandteile? Unschaerferelation der Quantenmechanik Atom Proton Quarks 10−10 m Annahme: Teilchengroesse R 1GeV Teilchenmasse/Ruheenergie M 10−15 m 10−17 m 1GeV 0.1GeV Annahme: Teilchen besteht aus kleineren Bestandteilen: Aber: Damit: x R , pM x pℏ /2 R M ℏ /2 ℏ /2=10 −16 GeV m Pruefen Sie, ob das stimmt! Wie gross sind Elementarteilchen? ...immer kleinere Bestandteile? Unschaerferelation der Quantenmechanik Atom Proton Quarks 10−10 m Annahme: Teilchengroesse R 1GeV Teilchenmasse/Ruheenergie M Annahme: Teilchen besteht aus kleineren Bestandteilen: Kann stimmen (und stimmt auch) fuer Atom, Proton, aber nicht fuer Quarks, Elektronen ­> wirklich elementar!?! 10−15 m 10−17 m 1GeV 0.1GeV Ruhe : L Stab =5m , LGarage =4m Relativgeschwindigkeit : 240000km/ sec ,v / c =4 /5 Laengenkontraktion : Faktor 1− v /c2 L Stab=? L Garage=? L Stab=? L Garage=? file:///home/Desktop/pole_barn1a.png file:///home/Desktop/pole_barn2a.png Ruhe : L Stab =5m , LGarage =4m Relativgeschwindigkeit : 240000km/ sec ,v / c =4 /5 Laengenkontraktion : Faktor 1− v /c2 L Stab =3m L Garage=4m L Stab=5m L Garage=2.4m Stab passt hinein! file:///home/Desktop/pole_barn1a.png file:///home/Desktop/pole_barn2a.png Stab passt nicht hinein! Ruhe : L Stab =5m , LGarage =4m Relativgeschwindigkeit : 240000km/ sec ,v / c =4 /5 Laengenkontraktion :Faktor 1− v /c2 L Stab =3m L Garage=4m L Stab=5m L Garage=2.4m Stab passt hinein! file:///home/Desktop/pole_barn1a.png file:///home/Desktop/pole_barn2a.png Vorher/Nachher relativ! Ruhe : L Stab =5m , LGarage =4m Relativgeschwindigkeit : 240000km/ sec ,v / c =4 /5 Laengenkontraktion : Faktor 1− v /c2 L Stab =3m L Garage=4m L Stab=5m L Garage=2.4m Stab passt hinein! file:///home/Desktop/pole_barn1a.png file:///home/Desktop/pole_barn2a.png ­ ­ ­ ­ ­ Stab passt nicht hinein! Ruhe : L Stab =5m , LGarage =4m Relativgeschwindigkeit : 240000km/ sec ,v / c =4 /5 Laengenkontraktion : Faktor 1− v /c2 L Stab =3m L Garage=4m L Stab=5m L Garage=2.4m Stab passt hinein! file:///home/Desktop/pole_barn1a.png Stab passt nicht hinein! file:///home/Desktop/pole_barn2a.png ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ Ruhe : L Stab =5m , LGarage =4m Relativgeschwindigkeit : 240000km/ sec ,v / c =4 /5 Laengenkontraktion : Faktor 1− v /c2 L Stab =3m L Garage=4m L Stab=5m L Garage=2.4m Stab passt hinein! file:///home/Desktop/pole_barn1a.png Stab passt nicht hinein! file:///home/Desktop/pole_barn2a.png ­ ­ ­ ­ + ­ ­ ­ ­ ­+ ­ ­ + ­ ­ Ruhe : L Stab =5m , LGarage =4m Relativgeschwindigkeit : 240000km/ sec ,v / c =4 /5 Laengenkontraktion : Faktor 1− v /c2 L Stab =3m L Garage=4m Antimaterie L Stab=5m L Garage=2.4m Stab passt hinein! file:///home/Desktop/pole_barn1a.png Stab passt nicht hinein! file:///home/Desktop/pole_barn2a.png ­ ­ ­ ­ + ­ ­ ­ ­ ­+ ­ ­ + ­ ­ Fundamentale Naturgesetze ● ● Relativitaet + Quantenmechanik erzwingt: 1) Antimaterie 2) Elementarteilchen 3) punktfoermige Wechselwirkungen Fragen: 1) Stimmt das? 2) Welche Elementar­ teilchen gibt es? Fundamentale Naturgesetze ● ● Relativitaet + Quantenmechanik erzwingt: 1) Antimaterie 2) Elementarteilchen 3) punktfoermige Wechselwirkungen Antworten: 1) Entspricht der Beobachtung! 2) Im Folgenden!
