Physik mit Teilchen und Kernen Ein Blick hinter die Kulissen
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Physik mit Teilchen und Kernen Ein Blick hinter die Kulissen Prof. Stephan Paul Vom Kleinen zum Grossen – Der Kreis der Physik Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 2 Themen dieser Tagung 1. Teilchenphysik und Beschleuniger • Was ist unser Verständnis der grundlegenen Kräfte und wie testen wir es 2. Ultrakalte Neutronen • Suche nach zusätzlichen Komponenten zum ‘Standardmodell’ und Einflüssen auf die Entwicklung des Universums 3. Messung der Top-Quarkmasse • Näheres zum (wohl) schwersten Elementarteilchen 4. Stringtheorie • Wie stellen wir uns die Natur bei allerkleinsten Abständen und hohen Energien vor ? 5. Kernmaterie unter extremen Bedingunen • Was passiert, wenn wir Kerne sehr stark aufheizen 6. Supernovae und die Entsteheung der Elemente • Wie bilden sich Elemente, die unsere Umwelt darstellen Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 3 Themen diese Vortrages • Einführung in die Grundlagen der Teilchenphysik • Die Rolle der Physik von Teilchen und Kernen aus der Sicht des Universums – – – – – – Quarks und Leptonen Materie und Antimaterie Die Entsteheung der Protonen und Neutronen Die ersten Kerne (Big-Bang Nukleosynthese) Wie die Sonne brennt Wo die schweren Elemente geboren werden Themen werden nur angerissen… Details in den Vorträgen die folgen ! Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 4 Kräfte und Wechselwirkungen • Die Kraft F – Beispiele : F q E, q im E Feld • m1 m2 , 2 r Gravitation Fg z1 z2 r2 Coulombkraft F e2 F (r ) V (r ) • Wie kommt ein Potential zustande ? – Ich brauche eine Wechselwirkung • ‘Infomationstransfer’ • Dynamik: Energie und Impulsaustausch Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 5 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 Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 6 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) Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 7 Die Bausteine der Welt Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 8 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..... Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 9 Der Higgs-Effekt – Wie Masse Entsteht Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 10 Das Higgs-Teilchen. – Eine Analogie Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 11 Die Kräfte und ihre Abhängigkeit von der Energie Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 12 Supersymmetrie Stabil, Massiv (> 50 GeV), schwache WW Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 13 Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 14 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, DillingenDimensionen - Physik mit Teilchen und Die anderen sind aufgrollt Kernen 15 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 Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 16 Das Babyfoto: MikrowellenTemperaturschwankungen Cobe 1994 2006 WMAP 2003 Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 17 Ein winziger Überschuss von Materie zu Antimaterie wird erzeugt Aus der 1 in der neunten Stelle hinterm Komma sind WIR gemacht Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 18 Wie kann eine solche Asymmetrie entstehen ? • Materie ist aus Bayonen gemacht (Baryonenquantenzahl) Teilchen X X B1 mit Bruchteil x X B2 mit Bruchteil (1 x ) Antiteilchen X X B1 mit Bruchteil x X B2 mit Bruchteil (1 x ) da N X N X Asymmetrie in Bayronzahl A A ( x x )( B1 B2 ) Bisher: Noch keine Verletzung der Bayronenzahl gefunden : Protonlebendauer > 1033 Jahre Noch keine Verletzung der CPSymmetrie der richtigen Art gefunden Baryonzahlverletzung : B1 B2 Symmetrieverletzung (CP ) : x x Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 19 CP-Symmetrie • P – Rausmpiegelung (x → - x) • C – Ladungsspieglung (q → - q) T • T – Zeitumkehr (t → - t)…………………. J J CPT muss erhalten sein ! Beispiel: Elektrisches Dipolmoment des Neutrons spin elementary particle EDM P + - + T + + - - (P - known) (CP big deal) Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen CP T 20 Bis 10-10 Sekunden: Suppe aus Elementarteilchen und Austauschbosonen in steter WW Dabei Abkühlung durch räumliche Expansion und Änderung der Kopplungsstärken Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 21 10-10-10-6 Sekunden: Elektroschwache Symmetriebrechung Neutrinos entkoppeln: schwache WW wird zu schwach, Neutrinos sehen andere Teilchen zu selten Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 22 Wie betrachte ich verschiedene Größenskalen ? Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 23 Mikroskope..... Nutzbare Eneregie zur Erzeugung von Neuem: √s = E1+E2 Baue Collider (zwei kollidiernde Strahlen) Ringbeschleuniger Beschleungungsstrecke Umlenkmagnete Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 24 CERN – Herr der Ringe 8.6 km Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 25 CERN Beschleuniger und das LHC 8 TeV auf 8 TeV Kollisionen.... Mp ~ 1 GeV und E=mc2 Testaufbau LHC-Ring - Simulation Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 26 Wie sieht ein Detektor aus ? Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 27 Eindrücke eines Superdetektors Transportprobleme ?? Zentraler Detektorteil - Rohbau Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 28 Was passiert bei einer harmlosen Kollision ? Strahl Strahl Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 29 Kollisionen bei hohen Energien: Higgs Teilchen simuliert Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 30 Weiteres Beispiel für den Effekt der Auflösung Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 31 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 Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 32 Wie kann ich diesen Phasenübergang testen ? • Kollidiere schwere Ionen bei hoher Energie • Stelle hohe Dichten her (viele Nukleonen auf kleiner Fläche geben einen hohen Druck) • Stelle hohe Temperaturen her (Reibung) • Analysiere die Entstandenen neuen Teilchen – Impuls, Energie, Spezies Verteilungen etc… Und wie sieht so etwas aus ? Simulationen : Heute: RHIC (USA) (200 + 200) GeV/A 2008: LHC (Genf) (1.8 + 1.8) TeV/A Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 33 RHIC - USA RHIC: Relativistic Heavy Ion Collider (Brookhaven, USA) STAR • Schwerionenreaktionen: Au + Au bei √s = 400 GeV/A - Untersuche den Phasenübergang Quark-Gluon Plasma zu Hadronen Dillingen - Physik mitAu Teilchen on AuundEvent Kernen with CM Energy 130 GeV*A 34 10-2-103 Sekunden: Entstehung der ersten Elemente Primordiale Nukleosynthese Es gibt keine stabilen Elemente mit A=5 4He Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen ist Endstation Die ersten 3 Minuten sind vorüber 35 Nukleonsynthese und n-Lebensdauer • Bei Zeiten von 10-4 Sekunden: Quarks nur noch in n oder p • Im thermischen Gleichgewicht: e n e p e p e n n e p e Konkurrenz: Neutronzerfall tn= 887±1 Sekunde ? • Universum kühlt ab und expandiert • Gleichgewichtsprozess hört auf, da WQ und Dichten zu klein • Neuer Gleichgewichtsprozess beginnt: n p 2 H Q( Energie) Q 2.22MeV Konkurrenz : n Zerfall 2 H n 3H 3 H p 4 He 2 H p He 3 Dillingen - Physik mit Teilchen und He n 4 He Konkurrenz: n-Zerfall 3 Kernen Nn 0,135 Np 4 N He 0, 24 (4 N He N H ) 36 Messung der Lebensdauer des Neutrons Proton Nachweis Neutron trajectories good bad Die Neutronenextraktion Der Reaktortank Magnetischer Multipol Beff ~ 2T FRM II der TUM Stromleiter Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen Einlasskonfiguration 37 Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 38 105 Jahre: Entstehung der Atome Entkopplung der Photonen Ab 109 Jahre: Entstehung der Sterne und Galaxien Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 39 Elemtenstehung - Was macht ein Stern ? Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 40 Was macht die Sonne ? Kernfusion im Herzen der Sonne: 4 p 4He + 2e+ + 2e (+ 26.7 MeV) genauer: e e e e e Neutrino energy [MeV] auf der Erde: 65 Milliarden Neutrinos pro s und cm2 Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 41 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 Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 42 Bis jetzt Entstehung der schweren Elemente: Supernovaexplosionen Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 43 Kernphysik – Die Landkarte der Kerne Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 44 Entstehung neuer Elemente im Labor GSI – Ionenbeschleuniger UNILAC Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 45 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 ~%?? Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 46 Und Wie War’s Ganz Am Anfang ? Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 47 Informationen im Internet • Informationen für den/die Physiker(in) http://www.weltderphysik.de http://www.teilchenphysik.org • Informationen für Lehrer und Lehrmaterial http://www.teilchenphysik.org/tpids.htm Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 48 Dillingen - Physik mit Teilchen und Kernen 49
