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
Fg
z1  z2
r2
Coulombkraft
F  e2
F (r ) V (r )
• Wie kommt ein Potential zustande ?
– Ich brauche eine Wechselwirkung
• ‘Infomationstransfer’
• Dynamik: Energie und Impulsaustausch
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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
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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)
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Die Bausteine der Welt
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Kernen
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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.....
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Der Higgs-Effekt – Wie Masse Entsteht
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Das Higgs-Teilchen. – Eine Analogie
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Die Kräfte und ihre Abhängigkeit von der Energie
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Supersymmetrie
Stabil, Massiv (> 50 GeV), schwache WW
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Dillingen - Physik mit Teilchen und
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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
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Das Babyfoto: MikrowellenTemperaturschwankungen
Cobe 1994
2006
WMAP 2003
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Ein winziger Überschuss von
Materie zu Antimaterie wird erzeugt
Aus der 1 in der neunten Stelle hinterm Komma
sind WIR gemacht
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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
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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)
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CP  T
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Bis 10-10 Sekunden:
Suppe aus Elementarteilchen und
Austauschbosonen in steter WW
Dabei Abkühlung durch
räumliche Expansion und
Änderung der Kopplungsstärken
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10-10-10-6 Sekunden:
Elektroschwache
Symmetriebrechung
Neutrinos entkoppeln:
schwache WW wird zu schwach,
Neutrinos sehen andere Teilchen
zu selten
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Wie betrachte ich verschiedene Größenskalen ?
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Mikroskope.....
Nutzbare Eneregie zur Erzeugung von Neuem: √s = E1+E2
Baue Collider (zwei kollidiernde Strahlen)
Ringbeschleuniger
Beschleungungsstrecke
Umlenkmagnete
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CERN – Herr der Ringe
8.6 km
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CERN Beschleuniger und das LHC
8 TeV auf 8 TeV Kollisionen.... Mp ~ 1 GeV und E=mc2
Testaufbau
LHC-Ring - Simulation
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Wie sieht ein Detektor aus ?
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Eindrücke eines Superdetektors
Transportprobleme ??
Zentraler Detektorteil - Rohbau
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Was passiert bei einer harmlosen Kollision ?
Strahl
Strahl
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Kollisionen bei hohen Energien:
Higgs Teilchen simuliert
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Weiteres Beispiel für den Effekt der Auflösung
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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
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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
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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
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10-2-103 Sekunden:
Entstehung der ersten
Elemente
Primordiale Nukleosynthese
Es gibt keine stabilen
Elemente mit
A=5
4He
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ist Endstation
Die ersten 3 Minuten
sind vorüber
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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 )
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Messung der Lebensdauer des Neutrons
Proton Nachweis
Neutron trajectories
good
bad
Die Neutronenextraktion
Der Reaktortank
Magnetischer
Multipol
Beff ~ 2T
FRM II der TUM
Stromleiter
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Kernen
Einlasskonfiguration
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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
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Was macht die Sonne ?
Kernfusion im Herzen der Sonne:
4 p  4He + 2e+ + 2e (+ 26.7 MeV)
genauer:
e
e
e
e
e
Neutrino energy [MeV]
auf der Erde:
65 Milliarden Neutrinos pro s und cm2
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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
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Bis jetzt
Entstehung der schweren Elemente:
Supernovaexplosionen
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Kernphysik – Die Landkarte der Kerne
Dillingen - Physik mit Teilchen und
Kernen
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Entstehung neuer Elemente im Labor
GSI – Ionenbeschleuniger
UNILAC
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Kernen
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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 ~%??
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Und Wie War’s Ganz Am Anfang ?
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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
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