Große Energien - kleine Teilchen Hochenergiephysik
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Große Energien - Hochenergiephysik kleine Teilchen Elementarteilchenphysik Emmerich Kneringer Inst. f. Astro- und Teilchenphysik Workshop in Linz – 11. April 2008 Programm Vormittag Vorträge (Theorie und Experiment) Große Energie – Kleine Teilchen [Hauptvortrag] ------------------------------------------------- Pause z Das ATLAS Experiment z Ein kurzer Einblick in meine Forschung z z Detektoren Myonlebensdauer (ein Praktikumsexperiment) Nachmittag Praktische Durchführung von Aufgaben am Computer z z Bestimmung der mittleren Lebensdauer von Myonen Der Z-Würfel http://physik.uibk.ac.at/linz E. KNERINGER 2 1. Einführung Web Grundbausteine? Grundbausteine? Mendelejew 1869 E. KNERINGER 3 Ordnung muss sein! Anzahl der Grundbausteine 4 92 12 stabile Teilchen? Antiteilchen? E. KNERINGER 4 Reise zu den Elementarteilchen E. KNERINGER 5 Das DasProton Protonist istkein kein Elementarteilchen! Elementarteilchen! E. KNERINGER 6 Wie sieht das Innenleben des Protons wirklich aus? E. KNERINGER 7 Proton Quarks und Elektronen sind nach heutigem Wissen punktförmig, d.h. ihr Durchmesser ist nicht grösser als 1/1000 des Protondurchmessers. E. KNERINGER 8 Begriffsklärung Hochenergie Elementarteilchen e QP su u u P d cQ c e s s t t bb b E. KNERINGER d d c QW W t 9 Zeitleiste der Entdeckungen (-1964) ... und viele mehr E. KNERINGER 10 Zeitleiste der Entdeckungen (1960- ...) 10 fruchtbare Jahre E. KNERINGER 11 2. Historisches DAMALS HEUTE Problem: Warum ist Luft elektrisch leitend? Warum haben Teilchen Masse? V. F. HESS P. HIGGS HESS-Strahlung HIGGS-Strahlung (kosmische Strahlung) 1912 entdeckt E. KNERINGER (Higgs-Teilchen) noch nicht entdeckt (2008) 12 Kosmische Strahlung ~ 100 Myonen pro Sekunde auf einen m2 E. KNERINGER 13 E. KNERINGER 14 electrons/positrons photons muons neutrons E. KNERINGER 15 DAMALS HEUTE Detektor E. KNERINGER Ionisationskammer universelles Teilchennachweisgerät 16 DAMALS HEUTE Labor Berg, Hafelekar Tunnel, CERN, Genf E. KNERINGER 17 Myonschauer E. KNERINGER 18 3. Wo stehen wir heute? Beschleuniger in Genf ** * ** ** * ** * * * * ** ** * *** ** * * * * * * * * * * * * * * ** * E. KNERINGER 19 ATLAS DVD Einführungssequenz (lokal) Heute (2008) Tunnel CERN, Genf E. KNERINGER 20 Warum müssen die Beschleuniger so riesig sein? Die Teilchenbeschleuniger am CERN sind grössten je gebauten Maschinen (27 km). Um die Teilchen auf so hohe Energien bringen zu können 99.999 999 998 72 % der Lichtgeschwindigkeit Die Teilchen ‚kriegen‘ gerade noch die Kurve Brauche Energie um die Masse von ~100 Protonen erzeugen zu können E. KNERINGER CERN E. KNERINGER 21 WWW 22 Detektoren (CERN) E. KNERINGER 23 e+e– Kollision E. KNERINGER Neue Teilchen sind extrem kurzlebig Kann nur deren Zerfallsprodukte registrieren o Rekonstruktion des stattgefundenen Prozesses 24 Warum müssen die Experimente so riesig sein? Vergleich: Space-Shuttle Absturz Rekonstruktion der Ursache E. KNERINGER Video! 25 Videoclip Proton-Proton Kollision Beschleunigung – Kollision – Detektion – Analyse http://physik.uibk.ac.at/hephy/clips/atlas.avi E. KNERINGER 26 Rekonstruktion der Explosion E. KNERINGER 27 4. Physikalische Grundlagen Zusammenstoß E. KNERINGER 28 Masse – Energie - Äquivalenz E=mc2 Kernspaltung, Fusion (Sonne) Masse Hochenergiephysik Bremsen BewegungsWärme energie Dampfmaschine Urknall E. KNERINGER 29 BANG E. KNERINGER !! 30 E. KNERINGER 31 Um immer kleinere Strukturen finden zu können, braucht man immer höhere Energien! Warum? E. KNERINGER 32 O h/p - de Broglie Wellenlänge Rennauto Schnecke große Wellenlänge W kleine Wellenlänge E. KNERINGER O!d: 33 Objekt nicht bemerkbar kein Schatten! E. KNERINGER Od: Objekt bemerkbar hinterlässt Schatten! 34 O!d: Objekt nicht bemerkbar Schwimmender Korken kein Schatten! Od: Objekt bemerkbar Schiff hinterlässt Schatten E. KNERINGER 35 Auflösung von Strukturen E. KNERINGER groß, langsam, “weich” Umriss klein, schnell, “hart” Umriss + Struktur 36 Prinzip Beschleuniger klassisch modern: Hohlraumresonator Teilchen “surft” W E. KNERINGER 37 5. Standardmodell Fasst den gesamten gesicherten Wissensstand der Teilchenphysik zusammen. Beschreibt jegliche Art von: Materie Strahlung Energie E. KNERINGER 38 Die 4 fundamentalen Naturkräfte Gravitation Apfel fällt vom Baum Mond kreist um die Erde Elektromagnetische Kraft Sorgt für den Strom aus der Steckdose Verbindet negativ geladene Elektronen und positiv geldadene Atomkerne zu Atomen Schwache Kraft Radioaktiver Zerfall von Atomkernen Ermöglicht die Erzeugung von Strahlungs- und Wärmeenergie in der Sonne Starke Kraft Hält die elementaren Bausteine der Materie zusammen: verhindert dass die Atomkerne infolge der gegenseitigen Abstossung der Protonen auseinanderfliegen E. KNERINGER 39 Kräfte - Wechselwirkungen Kraft = Wechselwirkung = Austausch von Boten E. KNERINGER W 40 6. Praktische Aufgaben für den Workshop A. Messung der mittleren Myonlebensdauer B. Bestimmung der Zerfallsverhältnisse des Z- Würfels bei beiden Aufgaben spielt die schwache WW eine Rolle ¾ q qqq q P W E. KNERINGER 41 A. Messung der mittleren Myon-Lebensdauer Ein Hochenergiephysikexperiment für das Fortgeschrittenen-Praktikum (Uni Innsbruck) Ein Experiment mit natürlicher „Radioaktivität” aufbauend auf die bekannte Physik der Radioaktivität z E. KNERINGER exponentielles Zerfallsgesetz 42 FAQs (Frequently asked Questions) 1. 2. 3. 4. 5. 6. Wie kann ich die Lebensdauer messen, wenn ich nicht weiß, wo und wann das Myon in der Atmosphäre entstanden ist? Wie wird der Effekt der Zeitdilatation bei den Myonen berücksichtigt? Warum bilde ich für die Bestimmung der mittleren Lebensdauer nicht einfach den Mittelwert aller gemessenen Lebensdauern? Wie kann ich unterscheiden, ob das Stoppsignal für die Uhr vom Zerfall des Myons stammt, oder von einem anderen Myon? Wie berechnet man die mittlere Lebensdauer? Wozu ist diese Messung gut? E. KNERINGER 43 B. Der Z-Würfel e+ e+, P+, W+ , q Z e– 100 u würfeln gibt x-mal e, P, W; x = ? y-mal Quarks; y = ? e–, P–, W –, q q qqq q P W W E. KNERINGER 44 Das Z-Teilchen wechselwirkt mit allen Elementarteilchen als Vermittler der schwachen Wechselwirkung kann daher in alle energetisch möglichen Teilchen-Antiteilchenpaare zerfallen Masse des Z ist ~ 100 mal Protonenmasse Das Photon Zum Vergleich: wechselwirkt mit allen elektrisch geladenen Elementarteilchen als Vermittler der elektromatnetischen Wechselwirkung alle geladenen Teilchen-Antiteilchenpaare können in Photonen “zerstrahlen” Das Photon ist masselos E. KNERINGER 45 Warum dieses Ungleichgewicht? Quarks haben Farbe! 100 u würfeln gibt [siehe Experiment] jedes geladene Lepton: 4 u jedes Quark: 6 u z Wieviele verschiedene Farbtypen gibt es dann von einem Quark? E. KNERINGER Quarks verschiedener Farbe zählen extra! beachte: aus energetischen Gründen kann das schwerste Quark (top-Quark) nicht erzeugt werden. 46 Warum dieses Ungleichgewicht? e+ e+, P+, W+ , u,d,s,c,b u,d,s,c,b u,d,s,c,b Z e– 100 u würfeln gibt e–, P–, W –, u,d,s,c,b u,d,s,c,b u,d,s,c,b 4 u e, P, W 88/15 | 6 u u,d,s,c,b, u,d,s,c,b,u,d,s,c,b Quarks haben Farbe! E. KNERINGER 47 E. KNERINGER 48
