Masse - Institut für Kern
Werbung
Masse — von Newton und Einstein zu Higgs und dunkler Materie Dominik Stöckinger Institut f. Kern- und Teilchenphysik Dresden, 13.11.2008 Dominik Stöckinger Masse Inhalt 1 Einleitung 2 Newton — träge und schwere Masse 3 Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse 4 Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss Dominik Stöckinger Masse Aktuelle Motivation Der Large Hadron Collider am CERN Gibt es ein Higgsfeld? Dominik Stöckinger Masse Aktuelle Motivation Dunkle Materie und dunkle Energie Es gibt dunkle Materie! Woraus besteht sie? Dominik Stöckinger Masse Einleitung Outline 1 Einleitung 2 Newton — träge und schwere Masse 3 Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse 4 Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss Dominik Stöckinger Masse Einleitung Ziel Erklärung von Naturphänomenen (Licht, Schall, Wärme, Bewegung,. . . ) Dominik Stöckinger Masse Einleitung Ziel Erklärung von Naturphänomenen (Licht, Schall, Wärme, Bewegung,. . . ) ⇓ Beschränkung auf eine Klasse: z.B. Bewegung Dominik Stöckinger Masse Einleitung Ziel Erklärung von Naturphänomenen (Licht, Schall, Wärme, Bewegung,. . . ) ⇓ Beschränkung auf eine Klasse: z.B. Bewegung ⇓ Begriffsbildungen: Ort Geschwindigkeit Kraft Masse Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Outline 1 Einleitung 2 Newton — träge und schwere Masse 3 Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse 4 Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Newton Bewegung von Körpern (Bleikugel, Vogelfeder, Planeten. . . ): Grundfrage: Was ist der natürliche Bewegungszustand eines Körpers? Antwort: Ruhe auf dem Erdboden??? −→ falsch! Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Newton Bewegung von Körpern (Bleikugel, Vogelfeder, Planeten. . . ): Grundfrage: Was ist der natürliche Bewegungszustand eines Körpers? Richtige Antwort: gleichförmige Bewegung Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Newton Bewegung von Körpern (Bleikugel, Vogelfeder, Planeten. . . ): Grundfrage: Was ist der natürliche Bewegungszustand eines Körpers? Richtige Antwort: gleichförmige Bewegung Auf der Erde: Luft! (überall, daher kaum zu bemerken) Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Newton Bewegung von Körpern (Bleikugel, Vogelfeder, Planeten. . . ): Grundfrage: Was ist der natürliche Bewegungszustand eines Körpers? Richtige Antwort: gleichförmige Bewegung Auf der Erde: Luft! (überall, daher kaum zu bemerken) Wann bemerken wir Luft? z.B. Wind = ungleichmässige Luftbewegung Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Zweite Frage: Wie kann man Bewegung beeinflussen? Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Zweite Frage: Wie kann man Bewegung beeinflussen? durch Kräfte — aber wie genau? welche Größe ist entscheidend? Farbe, Form, Volumen, Oberfläche??? Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Zweite Frage: Wie kann man Bewegung beeinflussen? durch Kräfte — aber wie genau? welche Größe ist entscheidend? Farbe, Form, Volumen, Oberfläche??? Newtons Antwort: entscheidend: Träge Masse Kraft=Träge Masse * Beschleunigung MT =charakteristische Eigenschaft eines Objektes Bewegungsänderung nur durch Krafteinwirkung Objekte mit gleichem MT verhalten sich identisch! Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Zweite Frage: Wie kann man Bewegung beeinflussen? durch Kräfte — aber wie genau? welche Größe ist entscheidend? Farbe, Form, Volumen, Oberfläche??? Newtons Antwort: entscheidend: Träge Masse F = MT ∗ a MT =charakteristische Eigenschaft eines Objektes Bewegungsänderung nur durch Krafteinwirkung Objekte mit gleichem MT verhalten sich identisch! Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton MT =charakteristische Eigenschaft eines Objektes Bleikugel, Vogelfeder, Planet → reduziert auf Massenpunkte Kräfte: viele Möglichkeiten Reibung (Luft), Werfen, Schwerkraft Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Wie funktioniert Schwerkraft? ein Körper, z.B. Erde, erzeugt Schwerkraft-Feld zweiter Körper, z.B. Stein, vom ersten angezogen Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Wie funktioniert Schwerkraft? ein Körper, z.B. Erde, erzeugt Schwerkraft-Feld zweiter Körper, z.B. Stein, vom ersten angezogen Wie stark? Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Wie funktioniert Schwerkraft? ein Körper, z.B. Erde, erzeugt Schwerkraft-Feld zweiter Körper, z.B. Stein, vom ersten angezogen Wie stark? Antwort: entscheidende Grösse: Schwere Masse Schwerkraft = (Schwere Masse)*(Schwerkraft-Feld) Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Wie funktioniert Schwerkraft? ein Körper, z.B. Erde, erzeugt Schwerkraft-Feld zweiter Körper, z.B. Stein, vom ersten angezogen Wie stark? Antwort: entscheidende Grösse: Schwere Masse F = MS ∗ (Schwerkraft − Feld ) Dominik Stöckinger Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Meilenstein-Erkenntnis: MT = MS Dominik Stöckinger für alle Körper Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Meilenstein-Erkenntnis: MT = MS für alle Körper Daher Beschleunigung = Schwerkraft − Feld alle Körper fallen gleich schnell Dominik Stöckinger für alle Körper Planetenbewegung hängt nicht von der Masse des Planeten ab Masse Newton — träge und schwere Masse Newton Zusammenfassung Newton MT = MS Schwere Masse = Träge Masse = charakteristische Eigenschaft eines Körpers Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Outline 1 Einleitung 2 Newton — träge und schwere Masse 3 Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse 4 Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein Relativitätstheorie: 1 Physik in allen Bezugssystemen gleich 2 Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen gleich 300.000km/sec Gedankenexperiment. . . Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein Relativitätstheorie: 1 Physik in allen Bezugssystemen gleich 2 Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen gleich 300.000km/sec Gedankenexperiment. . . kein Körper kann sich schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen! Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein F = MT ∗ a Widerspruch, beliebige Beschleunigung scheint möglich? Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein F = MT ∗ a Widerspruch, beliebige Beschleunigung scheint möglich? Lösung: MT wird immer grösser Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein F = MT ∗ a Widerspruch, beliebige Beschleunigung scheint möglich? Lösung: MT wird immer grösser v = 0km/sec MT = 1000kg v = 150000km/sec MT = 1200kg v = 299000km/sec MT = 12000kg v = 299900km/sec MT = 36000kg Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein F = MT ∗ a Widerspruch, beliebige Beschleunigung scheint möglich? Lösung: MT wird immer grösser Alltag: dieser Effekt nicht bemerkbar / auch nicht für Newton Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein F = MT ∗ a Widerspruch, beliebige Beschleunigung scheint möglich? Lösung: MT wird immer grösser MT keine charakteristische Grösse des Körpers! Hängt vom Bewegungszustand ab — bewegte Masse Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein Abschweifung: Energie. . . wichtigste Grösse der Physik Wärmeenergie, elektrische Energie (Strom), Kernenergie, chemische Energie (Öl, Kohle, Nahrung), Bewegungsenergie, . . . Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein Abschweifung: Energie. . . wichtigste Grösse der Physik Wärmeenergie, elektrische Energie (Strom), Kernenergie, chemische Energie (Öl, Kohle, Nahrung), Bewegungsenergie, . . . 1 Energie erhalten 2 Energie umwandelbar chem. Energie ւ elektr./Wärme ց ←→ Bewegung Alltagsphysik = Energieumwandlungen Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein Warum ist Energie wichtig? Satz der theoretischen Physik: Noethertheorem Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein Warum ist Energie wichtig? Satz der theoretischen Physik: Noethertheorem Wenn Naturgesetze sich mit der Zeit nicht ändern dann gibt es erhaltene Grösse Energie ist definiert als diese Grösse, daher in allen Bereichen der Physik wichtig und universell erhalten Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein erhaltene Grösse ⇒ Energie in der Relativitätstheorie Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein erhaltene Grösse ⇒ Energie in der Relativitätstheorie E = MT c 2 Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein erhaltene Grösse ⇒ Energie in der Relativitätstheorie E = MT c 2 Energie hängt mit Bewegungszustand zusammen Energie und bewegte Masse äquivalent, MT weniger wichtig Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein Schwere Masse? Allgemeine Relativitätstheorie: MT = MS Energie und schwere Masse äquivalent, MS weniger wichtig Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Einstein Zusammenfassung Einstein MT = MS = E /c 2 Schwere/träge Masse = bewegte Masse = Energie charakteristische Eigenschaft eines Körpers: Masse im Ruhezustand, Ruhemasse M0 Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Heute? Wichtige Konzepte (vor Quantenmechanik) Energie Ruhemasse Ort Geschwindigkeit ... Dominik Stöckinger Zustand char. Grösse eines Objektes Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Heute? Wichtige Konzepte (nach Quantenmechanik) Energie Ruhemasse Ort Geschwindigkeit ... Dominik Stöckinger Zustand char. Grösse eines Objektes Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Heute? Relativität + Quantenmechanik grundlegende Bausteine: Elementarteilchen/Elementarwechselwirkungen Drei char. Grössen von Elementarteilchen 1 2 3 Ruhemasse Spin Ladung Dominik Stöckinger Masse Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Heute? Relativität + Quantenmechanik grundlegende Bausteine: Elementarteilchen/Elementarwechselwirkungen Drei char. Grössen von Elementarteilchen 1 2 3 Ruhemasse Spin Ladung Elektron Spin Dominik Stöckinger Neutrino 1/2 Quarks Photon Masse W 1 Z Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Heute? Relativität + Quantenmechanik grundlegende Bausteine: Elementarteilchen/Elementarwechselwirkungen Drei char. Grössen von Elementarteilchen 1 2 3 Ruhemasse Spin Ladung Ladung Elektron -1 Dominik Stöckinger Neutrino 0 Quarks 1 2 3, −3 Photon 0 Masse W ±1 Z 0 Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Heute? Relativität + Quantenmechanik grundlegende Bausteine: Elementarteilchen/Elementarwechselwirkungen Drei char. Grössen von Elementarteilchen 1 2 3 Ruhemasse Spin Ladung Ruhemasse Elektron 0.0005 Dominik Stöckinger Neutrino ≈0 Quarks ≈ 0.01 Photon 0 Masse W 80 Z 91 Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse Heute? Relativität + Quantenmechanik grundlegende Bausteine: Elementarteilchen/Elementarwechselwirkungen Drei char. Grössen von Elementarteilchen 1 2 3 Ruhemasse Spin Ladung Elektron Neutrino Quarks Ruhemasse 0.0005 ≈0 ≈ 0.01 Heutige Frage: Wieso diese Massen? Dominik Stöckinger Photon 0 Masse W 80 Z 91 Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Outline 1 Einleitung 2 Newton — träge und schwere Masse 3 Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse 4 Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Frage: Sind die Ruhemassen M0 Naturkonstanten, die man nicht weiter erklären kann? Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Frage: Sind die Ruhemassen M0 Naturkonstanten, die man nicht weiter erklären kann? Unmöglich wegen QM+Relativität! Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Frage: Sind die Ruhemassen M0 Naturkonstanten, die man nicht weiter erklären kann? Unmöglich wegen QM+Relativität! Betrachte Photon, W, Z: Teilchen mit Spin 1: alle diese Teilchen müssen gleich behandelt werden (“Symmetrie”) MPhoton = 0 ⇒ MW ,Z = 0 Widerspruch zur Beobachtung! Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Satz der theoretischen Physik: Higgsmechanismus Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Satz der theoretischen Physik: Higgsmechanismus Die einzige Möglichkeit (gemäss QM+Relativität) für MPhoton = 0, MW ,Z 6= 0 ist der Higgsmechanismus: spontane Symmetriebrechung Higgs-Hintergrundfeld → Massen Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Spontane Symmetriebrechung Spontane Symmetriebrechung Symmetriebrechung=alltägliches Phänomen Nötig: Symmetrie + Objekt, das Symmetrie bricht Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Spontane Symmetriebrechung Spontane Symmetriebrechung 1 Phänomene, die mit der Natur der Symmetrie/Brechung zu tun haben (“Nambu-Mode”) 2 Phänomene, die mit der Natur des Objektes zu tun haben (“Higgs-Mode”) Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: Photon → W,Z ↑ Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: Photon → W,Z ↑ →→→→→ →→→→→ →→→→→ →→→→→ Feld im Vakuum (vgl. Frisur) Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: Photon → W,Z ↑ →→→→→ →→→→→ →→→→→ →→→→→ Feld im Vakuum (vgl. Frisur) 1 Photon-Bewegung ungehindert, MPhoton = 0 W,Z-Bewegung behindert, MW ,Z 6= 0 unabhängig von Eigenschaften des Feldes Dominik Stöckinger (“Nambu-Mode”) Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: Photon → W,Z ↑ →→→→→ →→→→→ →→→→→ →→→→→ Feld im Vakuum (vgl. Frisur) 1 Photon-Bewegung ungehindert, MPhoton = 0 (“Nambu-Mode”) W,Z-Bewegung behindert, MW ,Z 6= 0 unabhängig von Eigenschaften des Feldes Existenz des Feldes ≈sicher, Eigenschaften unbekannt Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: Photon → W,Z ↑ →→→→→ →→→→→ →→→→→ →→→→→ Feld im Vakuum (vgl. Frisur) 1 2 Photon-Bewegung ungehindert, MPhoton = 0 W,Z-Bewegung behindert, MW ,Z 6= 0 unabhängig von Eigenschaften des Feldes Feld selbst kann angeregt werden abhängig von Eigenschaften des Feldes Dominik Stöckinger (“Nambu-Mode”) (“Higgs-Mode”) Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Spontane Symmetriebrechung Einzige Möglichkeit: Photon → W,Z ↑ →→→→→ →→→→→ →→→→→ →→→→→ Feld im Vakuum (vgl. Frisur) 1 2 Photon-Bewegung ungehindert, MPhoton = 0 W,Z-Bewegung behindert, MW ,Z 6= 0 unabhängig von Eigenschaften des Feldes (“Nambu-Mode”) Feld selbst kann angeregt werden (“Higgs-Mode”) abhängig von Eigenschaften des Feldes Anregungen/Higgs-Mode ⇒ Erforschung der Eigenschaften! Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Hintergrundfeld Beispiele, Analogien: Luft: wann bemerken wir Luft? Wie ermitteln wir Eigenschaften der Luft? → Wind → ungleichmässige Luftbewegung Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Hintergrundfeld Beispiele, Analogien: Nambu-Mode: Kämmen mit dem Strich: MPhoton = 0 Kämmen gegen den Strich: MW ,Z 6= 0 Higgs-Mode: An Haaren ziehen, ausreissen → Eigenschaften der Haare Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Hintergrundfeld Nambu-Mode: Hintergrundfeld verleiht Masse, Masse hängt ab von “Beliebtheit” Higgs-Mode: Eigenschaften des Feldes: wie schnell/gut breitet sich Gerücht aus? Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs — Hintergrundfeld Nambu-Mode: Hintergrundfeld verleiht Masse, Masse hängt ab von “Beliebtheit” Higgs-Mode: Eigenschaften des Feldes: wie schnell/gut breitet sich Gerücht aus? Dominik Stöckinger Masse Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld Higgs Was wissen wir über das Higgs-Hintergrundfeld? Muss existieren, damit Elementarteilchen Masse haben Feldstärke muss 250 GeV sein Ziel aktueller Forschung: Higgsfeld anregen ⇒ Eigenschaften Beweis der Existenz des Higgsfeldes Higgsbosonen/Higgs-Teilchen finden Vgl: schwerstes El.teilchen bisher Higgsfeld LHC-Energie Dominik Stöckinger 170 GeV 250 GeV 14000 GeV Masse Dunkle Materie Outline 1 Einleitung 2 Newton — träge und schwere Masse 3 Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse 4 Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss Dominik Stöckinger Masse Dunkle Materie Dunkle Materie Materie im Universum: Sterne, Galaxien, Planeten, Staub → “sichtbare Materie (Atome)” Durchsichtige Materie (sendet kein Licht aus, absorbiert kein Licht) Dominik Stöckinger →“Dunkle Materie” Masse Dunkle Materie Dunkle Materie Materie im Universum: Evidenz 1 für dunkle Materie: Galaxienbewegungen: stärkere Schwerkraft als aufgrund sichtbarer Materie Dominik Stöckinger Masse Dunkle Materie Dunkle Materie Materie im Universum: Evidenz 2 für dunkle Materie: Sichtbare Materie und Schwerkraft-Zentrum unterschiedlich Dominik Stöckinger Masse Dunkle Materie Dunkle Materie Materie im Universum: Evidenz 3 für dunkle Materie: nichtatomare Materie : atomare Materie = 23% : 5% Dominik Stöckinger Masse Dunkle Materie Dunkle Materie Offene Frage: Woraus besteht dunkle Materie? Mögliche Antwort: Aus nicht-atomaren Teilchen mit einer Masse von ca. 100 GeV Diese könnte man am LHC oder an dunkle Materie-Suchexperimenten nachweisen! Dominik Stöckinger Masse Schluss Outline 1 Einleitung 2 Newton — träge und schwere Masse 3 Einstein — bewegte Masse und Ruhemasse 4 Higgs — Ruhemasse durch Hintergrundfeld 5 Dunkle Materie 6 Schluss Dominik Stöckinger Masse Schluss Zusammenfassung Newton: MT = MS =char. Eigenschaft von Objekten Einstein: E = MT c 2 = MS c 2 , Ruhemasse=char. Eigenschaft von Objekten Heute: Ruhemasse=eine von drei fundamentalen char. Eigenschaften von Elementarteilchen — die am wenigsten verstandene! Spontane Symmetriebrechung und Higgsfeld: vermutliche Ursache der Massen Ziel: Nachweis, Untersuchung des Higgsfeldes und der Higgs-Teilchen Dunkle Materie: unbekannte, nichtatomare Teilchen Ziel: Nachweis, Untersuchung dieser Teilchen Dominik Stöckinger Masse
