Die Bausteine der Natur

Die Bausteine der Natur
Teilchenwelt - Masterclass 2011
Matthias Schröder, Jan Thomsen
Fragen der Teilchenphysik
Woraus bestehen wir und unsere Welt?
Was sind die fundamentalen Kräfte in unserem Universum?
Wie ist das Universum entstanden?
“Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält!”
Faust, J.W. Goethe
Beobachtung der kleinsten Teichen und
der Kräfte, die zwischen diesen wirken
23.3.2011
Masterclasses
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Teilchen - Größenordnungen
10-2m
Molekül
Atom
10-9m
10-10m
Atomkern
10-14m
Proton/Neutron
Quark
10-15m
< 10-18m
Wie kann man so kleine Teilchen untersuchen?
23.3.2011
Masterclasses
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Teilchen - Rutherford
Rutherford-Experiment (1910):
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α-Teilchen werden auf Goldfolie
geschossen
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Messung der Winkelverteilung
der gestreuten α-Teilchen
Entdeckung der Atomkerne
23.3.2011
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Teilchen – Quarks
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Vorausgesagt durch Gell-Mann 1964 (Nobelpreis 1969)
Experimentelle Bestätigung 1969 analog zu Rutherford
Protonen und Neutronen bestehen
aus up- und down-Quarks
Neutron: udd
Protonen: uud
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23.3.2011
Eigenschaften:
Elektrische Ladung up (down) = 2/3 (-1/3) Ladung des Elektrons
Elementar
Keine einzelnen (freie) Quarks (Confinement)
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Teilchen - Myon
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Bekannte Teilchen:
Elektron e
Elektronneutrino νe(neutral, schwache Wechselwirkung)
up- und down-Quark
Erklären die gesamte sichtbare Materie!
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Unerwartete Entdeckung (1936):
C. Anderson entdeckt neues Teilchen in
Höhenstrahlung
Myon (µ) hat die gleichen Eigenschaften wie das
Elektron (z.B. Ladung)
Myon ist ca. 200 mal schwerer als das Elektron
“Who ordered that” I.I. Rabi
Gibt es noch andere schwere Partner zu bekannten Teilchen?
23.3.2011
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Teilchen – Standard Modell
Zu jedem dieser Teilchen gibt es ein Antiteilchen mit der selben
Masse und entgegengesetzter Ladung
23.3.2011
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Teilchen – Masse
Masse in MeV
Vergleichsobjekte in Tonnen
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23.3.2011
Große Unterschiede zwischen Teilchenmassen
Je schwerer ein Teilchen desto schneller Zerfällt es
Leichte Teilchen können nicht in schwerere Zerfallen
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Kräfte – Kraftteilchen
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Kräfte entstehen durch Austausch von Kraftteilchen (Bosonen)
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Beschreibung durch Feynmandiagramme
23.3.2011
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Kräfte - Überblick
Das Standardmodell bechreibt 3 fundamentale Kräfte:
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Elektromagnetische Kraft:
Kraft zwischen elektrischen Ladungen
Austauschteilchen: Photon (γ)
Schwache Kraft:
Führt zu β – Zerfall
Austauschteilchen: W±, Z0
Starke Kraft:
Bindungen zwischen Quarks
Austauschteilchen: gluon
Gravitation nicht beschrieben vom Standardmodel!
23.3.2011
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Standardmodell
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Beschreibt (fast) alle Daten
Viele bestätigte Vorhersagen
Soweit keine Massen erlaubt
Problem: Teilchen haben Masse!
Lösung:
23.3.2011
Higgs – Mechanismus
Teichen erhalten ihre Masse durch Interaktion mit
einem Hintergrundfeld
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Higgs Mechanismus
Vergleich:
Higgs-Feld = Gäste auf Party
VIP betritt den Raum
Gäste sammeln sich um VIP
VIP wird langsamer (träge)
Masse = Bekanntheitsgrad
23.3.2011
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Der Higgs-Mechanismus sagt das Higgs-Teilchen vorraus
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Higgs-Teilchen noch nicht entdeckt
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Suche nach dem Higgs eine der Hauptaufgaben des LHC
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Offene Fragen – Dunkle Materie
Galaxien drehen sich am Rand schneller als berechnet
Diese und andere Beobachtungen lassen auf “dunkle” Materie schließen
Einige Theorien sagen Teilchen voraus, die nicht mit den Teilchen des
Standardmodels interagieren (z.B. Supersymmetrie)
Suche am LHC
23.3.2011
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Offene Fragen - 2
Die Expansion des Universums beschleunigt sich
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Bekannt durch Beobachtungen von Supernovae
Erklärung möglich durch dunkle Energie
Sehr wenig über dunkle Energie bekannt
Nur 4% des Universums bekannt!
Offene Fragen:
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23.3.2011
Gibt es das Higgs-Teilchen?
Gravitation nicht im Standardmodell enthalten
Warum gibt es 3 Generationen von Teilchen
Was ist dunkle Materie und dunkle Energie
Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie (CP-Verletzung)
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Ende 1. Teil
23.3.2011
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