Das Standardmodell der Elementarteilchen
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Elementarteilchenphysik Das Universum Das Standardmodell der Elementarteilchen (und darüber hinaus) Dr. Robert Schöfbeck Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften TU Wien - Lehrerseminar Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event sichtbares Licht und Mikroskopie Sichtbares Licht ist gut verwendbar solange die Abmessungen klein gegen die Wellenlängen von einigen hundert nm (10−7 m) sind. Für Licht gilt E = hν = hc λ also braucht man hohe Energien für kurze Wellenlängen. 10−5 m Dr. Robert Schöfbeck 10−6 m Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 10−7 m 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Zellen und DNA 10−5 m = 10µm Zelle 10−9 m = 1nm Chromosom und DNA-Strang Der menschliche Körper besteht in etwa aus 100.000.000.000.000 Zellen. Die Strukturen der großen Makromoleküle kann man mit dem Kernspinresoanztomographen untersuchen. Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum 10−10 m = 1Å Atome Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Bei Längen um 10−10 m beginnt das Reich der Atome und der Quantenmechanik in welchem der “Hausverstand der klassichen Physik” versagt. Trotzdem kennen wir die Naturgesetze auf dieser Größenordnung, wenn auch ihre Deutung oft schwierig ist. Stichwort: “Nanotechnologie” Das Rastertunnelmikroskop Beim Rastertunnelmikroskop bewegt sich eine ein-atomige Spitze knapp über der Oberfläche und misst den elektrischen Widerstand. → Abbild der Oberfläche 10−9 m Dr. Robert Schöfbeck 10−10 m Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 10−11 m 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum 10−10 m = 1Å Atome Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Bei Längen um 10−10 m beginnt das Reich der Atome und der Quantenmechanik in welchem der “Hausverstand der klassichen Physik” versagt. Trotzdem kennen wir die Naturgesetze auf dieser Größenordnung, wenn auch ihre Deutung oft schwierig ist. Stichwort: “Nanotechnologie” Das Rastertunnelmikroskop Beim Rastertunnelmikroskop bewegt sich eine ein-atomige Spitze knapp über der Oberfläche und misst den elektrischen Widerstand. → Abbild der Oberfläche 10−9 m Dr. Robert Schöfbeck 10−10 m Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 10−11 m 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event 10−15 m = 1fm: Atomkern Atomkerne sind in etwa um 1 : 100.000 kleiner als die Atome. Sie bilden den positiv geladenen Kern um den die negativ geladenen Elektronen kreisen. Die Physik der Atomkerne ist schon sehr weit erforscht. Der einfachste Atomkern (Wasserstoff) besteht aus einem einzelnen Proton. 10−14 m Dr. Robert Schöfbeck 10−15 m Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 10−16 m 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event 10−15 m = 1fm: Atomkern Atomkerne sind in etwa um 1 : 100.000 kleiner als die Atome. Sie bilden den positiv geladenen Kern um den die negativ geladenen Elektronen kreisen. Die Physik der Atomkerne ist schon sehr weit erforscht. Der einfachste Atomkern (Wasserstoff) besteht aus einem einzelnen Proton. 10−14 m Dr. Robert Schöfbeck 10−15 m Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 10−16 m 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Die Welt der Elementarteilchen Kann man ein Proton “röntgen”? Wir wissen bereits kleine Abstände → kurze Wellenlänge und kurze Wellenlänge → hohe Energie. Andererseits aber E = mc 2 wobei m die Masse eines Teilchens ist. Die Energie des Lichts zum Röntgen eines Protons ruft Kernprozesse hervor! Beobachtung → Wechselwirkung 10−17 m Dr. Robert Schöfbeck 10−18 m Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 10−19 m 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Die Welt der Elementarteilchen Kann man ein Proton “röntgen”? Wir wissen bereits kleine Abstände → kurze Wellenlänge und kurze Wellenlänge → hohe Energie. Andererseits aber E = mc 2 wobei m die Masse eines Teilchens ist. Die Energie des Lichts zum Röntgen eines Protons ruft Kernprozesse hervor! Beobachtung → Wechselwirkung 10−17 m Dr. Robert Schöfbeck 10−18 m Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 10−19 m 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Die Welt der Elementarteilchen Kann man ein Proton “röntgen”? Wir wissen bereits kleine Abstände → kurze Wellenlänge und kurze Wellenlänge → hohe Energie. Andererseits aber E = mc 2 wobei m die Masse eines Teilchens ist. Die Energie des Lichts zum Röntgen eines Protons ruft Kernprozesse hervor! Beobachtung → Wechselwirkung 10−17 m Dr. Robert Schöfbeck 10−18 m Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 10−19 m 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Die Welt der Elementarteilchen Kann man ein Proton “röntgen”? Wir wissen bereits kleine Abstände → kurze Wellenlänge und kurze Wellenlänge → hohe Energie. Andererseits aber E = mc 2 wobei m die Masse eines Teilchens ist. Die Energie des Lichts zum Röntgen eines Protons ruft Kernprozesse hervor! Beobachtung → Wechselwirkung 10−17 m Dr. Robert Schöfbeck 10−18 m Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 10−19 m 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Das Elektron (1897) Das Elektron Symbol e Masse 511keV 9.1 · 10−31 kg J.J. Thomson Ladung −1e −1.6 · 10−19 C d-Orbitale im H-Atom • Vorkommen: Atomhülle elementar: zB Fernsehröhre • Besonderes: das leichteste geladene Teilchen gs = 2.0023193043622(15) • Teilchenbeschleuniger: Primär- und Sekundärteilchen Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Das Photon (1905) Das Photon Symbol γ • Phänomene: Masse 0 Ladung 0 • sichtbares Licht • elektromagnetische Kraft • Röntgenstrahlung • Teilchenbeschleuniger: wichtiges Sekundärteilchen, kein Primärteilchen A. Compton Dr. Robert Schöfbeck A. Einstein Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW M. Planck 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Das Proton (1919) Das Proton Symbol p • Vorkommen: Masse 1007.2MeV Ladung +1e Zusammen mit dem Neutron bauen Proton und Elektron die gesamte sichtbare Materie auf. E. Rutherford Dr. Robert Schöfbeck Atomkern elementar: zB Protonentherapie • Besonderes: Lebensdauer τ > 1033 a • Teilchenbeschleuniger: Primär- und Sekundärteilchen am LHC Rutherfordsches Streuexperiment Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Das Myon (1936) Das Myon Symbol µ • Vorkommen: Masse 105.6MeV Ladung −1e Der Österreicher Victor Hess hat 1936 den Nobelpreis für den Nachweis des Myons in der kosmischen Höhenstrahlung erhalten. Kosmische Strahlung • Besonderes: Lebensdauer τ = 2.1 · 10−6 s • Teilchenbeschleuniger: wichtigstes Sekundärteilchen bei CMS am LHC Victor Hess Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Der Teilchenzoo Der Teilchenzoo Dann wurden in rascher Folge viele Teilchen entdeckt: • Vorkommen: nur im Teilchenbeschleuniger • Besonderes: hohe Masse, kurze Lebensdauer τ ∼ 10−30 s Hadronen 0 + Λ ∆ Ξ∗0 Σ0 ∆− Σ∗0 Σ∗+ Σ∗− Ξ∗− · · · Willis Lamb “I have heard it said that the finder of a new elementary particle used to be rewarded by a Nobel Prize, but such a discovery now ought to be punished by a $10, 000 fine.” Willis Lamb, 1955 Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Der Teilchenzoo Der Teilchenzoo Dann wurden in rascher Folge viele Teilchen entdeckt: • Vorkommen: nur im Teilchenbeschleuniger • Besonderes: hohe Masse, kurze Lebensdauer τ ∼ 10−30 s Hadronen 0 + Λ ∆ Ξ∗0 Σ0 ∆− Σ∗0 Σ∗+ Σ∗− Ξ∗− · · · Willis Lamb “I have heard it said that the finder of a new elementary particle used to be rewarded by a Nobel Prize, but such a discovery now ought to be punished by a $10, 000 fine.” Willis Lamb, 1955 Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event QCD (1969) - färbige Quarks QCD Quantenchromodynamik Proton Die Erklärung kam durch die QCD von M. Gell-Mann (1969) u.A.: Hadronen bestehen aus Quarks und tragen die Farbladung der starken Wechselwirkung. Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Neutrinos, W - und Z -Bosonen Die schwache Wechselwirkung β-Zerfall des Neutrons Bereits 1920 wurde vom Österreicher Wolfgang Pauli (Nobelpreis 1945) spekuliert, dass es noch “schwach” wechselwirkende Teilchen geben müsse, da der Zerfall freier Neutronen anders nicht erklärt werden konnte. W. Pauli F. Reines Für die Entdeckung der Neutrinos 1956 erhielt F. Reines 1995 den Nobelpreis. Die Theorie die diesen Zerfall beschreibt sagt die Existenz von sogenannten W - und Z -Bosonen voraus (Nachweis 1983 am CERN). Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Das Standardmodell der Elementarteilchen Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Das Higgs-Boson Das Higgs-Boson first Higgs in ATLAS”(4th April 2008) Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Die Masse des Higgs-Bosons selbst ist im Standardmodell nicht vor riesigen Quantenkorrekturen geschützt. Das legt die Vermutung nahe, dass bei LHC-Energien noch Neues zu entdecken ist. Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Das Higgs-Boson Das Higgs-Boson first Higgs in ATLAS”(4th April 2008) Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Die Masse des Higgs-Bosons selbst ist im Standardmodell nicht vor riesigen Quantenkorrekturen geschützt. Das legt die Vermutung nahe, dass bei LHC-Energien noch Neues zu entdecken ist. Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Das Higgs-Boson Das Higgs-Boson first Higgs in ATLAS”(4th April 2008) Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Die Masse des Higgs-Bosons selbst ist im Standardmodell nicht vor riesigen Quantenkorrekturen geschützt. Das legt die Vermutung nahe, dass bei LHC-Energien noch Neues zu entdecken ist. Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Das Higgs-Boson Das Higgs-Boson first Higgs in ATLAS”(4th April 2008) Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Die Masse des Higgs-Bosons selbst ist im Standardmodell nicht vor riesigen Quantenkorrekturen geschützt. Das legt die Vermutung nahe, dass bei LHC-Energien noch Neues zu entdecken ist. Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Zwei Protonen kollidieren im LHC und erzeugen ein W -Boson. Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Das W -Boson zerfällt Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Bremsstrahlung der einlaufenden Teilchen (ISR) Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event ...und der auslaufenden Teilchen (FSR) Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Mehrteilchenwechselwirkungen Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event ...und deren Bremsstrahlung Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Nebenprodukte und Beamartefakte Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event Alles ist von QCD-farb-strings umhüllt Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event ...welche in instabile Hadronen zerfallen ... Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Atome, Kerne, Teilchen Das Standardmodell der Elementarteilchen Ein Event ... welche weiter in stabile Hadronen (p, n ...) zerfallen. Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel Die Milchstrasse Milchstrasse 100.000LJ≈ 9.46 · 1020 m Unsere Sonne ist Teil der Milchstraße, eine Balkenspiralgalaxie mit rund 100-300 Milliarden Sternen. Dicke der Scheibe ≈ 3000 Lichtjahre. 1019 m Dr. Robert Schöfbeck 1020 m Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 1021 m 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel Galaxie Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel 1023 m Lokale Gruppe Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel Superhaufen, Voids und Filamente Superhaufen Filament Dr. Robert Schöfbeck Virgo-Cluster Sloan Great Wall Das Universum Alter des Universums sichtbare Ausdehnung Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 13.7Mrd Jahre ≈ 1026 m 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel WMAP - Wilkinson Microwave Anisotropy Probe WMAP ist ein Satellit am L2-Punkt und vermisst präzise die kosmische Hintergrundstrahlung, welche nach heutigem Verständniss ein Photo des Universums im Alter von etwa 380.000 Jahren nach dem Urknall ist. Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel Woher kommt die Materie? Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel Was ist die dunkle Materie? Colliding cluster Hubble space telescope “Weak lensing” Dr. Robert Schöfbeck MACSJ0025 NASA/ESA A.Einstein Verteilung der dunklen Materie in einem Ausschnitt des Weltalls. Deutlich zu erkennen ist die Agglomeration der Materie. Hubble Space Telescope Cosmic Evolution Survey Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009 Elementarteilchenphysik Das Universum Sterne, Galaxien, Weltall Drei kosmische Rätsel Was ist dunkle Energie? Zusammenfassung: 4 Fragen an die Teilchenphysik Natur der Masse: “Warum haben Elementarteilchen Masse?” Ursprung der Materie: “Warum sind Materie und Antimaterie verschieden?” Natur der dunklen Materie: “Wo sind 80% der Materie in Galaxien?” Dunkle Energie: “Wo sind 72% der Energie im Universum?” Dr. Robert Schöfbeck Inst. für Hochenergiephysik der ÖAW 16. Oktober 2009
