1 Experimentelle Bausteine des Standardmodells und weitere Fragestellungen

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ExperimentelleBausteine des Standardmodells

und

weitere Fragestellungen

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Das magnetische Moment der Leptonen

3g-2 Myon-Experiment am BNL (Brookhaven, USA)

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Teilchenphysik und Kosmologie: Der Urknall

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Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik:Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie?Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie? Woher kommt die Dunkle Energie?

Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik des ganz Kleinen geben – die Elementarteilchenphysik

Atome (Bekannte Materie)

3% Dunkle Materie23%

Dunkle Energie74%

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Die Verletzung der Parität

Experiment von C.S.Wu

Betazerfall von Kobalt-60

die gespiegelte Welt unterscheidet sich von der wirklichen

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CP-Verletzung: das erste Experiment

Christenson, Cronin, Fitch und Turlay: Brookhaven 1964Nobelpreis 1980

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Aufbau des Experimentes NA48 am CERNzur Messung der “direkten” CP-Verletzung

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Zuletzt gefunden: das Top-Quark

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Das Top-Quark

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12Der Neutrino-Detektor Superkamiokande (Japan)

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Das Higgs-Boson

Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Dennoch wurde das Standardmodell in vielen Präzisionsmessungen hervorragend bestätigt.

Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik.

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• Standardmodell „funktioniert“ nur mit ursprünglich masselosen Teilchen!• Masse entsteht erst durch die Wechselwirkung mit einem (hypothetischen) Higgs-Feld• Durch spontane Symmetriebrechung ist das gesamte Universum von diesem Higgs-Feld durchdrungen• „Schwingungen“ in diesem Higgs-Feld erscheinen als Higgs-Teilchen, deren Nachweis am LHC / CERN in einigen Jahren gelingen soll

Higgs Cartoon(inspired by Prof. Miller / University College London)

Spontane Symmetriebrechung

Energie

Higgsfeld

heißes Universum(kurz nach Urknall)

kaltes Universum(kondensiert in einenasymmetrischen Zustandmit Higgsfeld)0

v

Teilchen sind masselos

Teilchen haben nun Masse

Das Higgs-Boson

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Supersymmetrie

Der Weg zur allumfassenden Theorie?Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien der Natur manifestieren.

Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten.

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Bosonen

SUSY

SUSY Teilchenspektrum. Grün: bekannte Teilchen des Standardmodells. Rot: gesuchte neue Teilchen.

zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchen sollte esein supersymmetrisches Partnerteilchen geben

Fermionen

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SUSY-Teilchen im Experiment

Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am Tevatron in den USA, am LHC im CERN und am geplanten e+ e- Linear Collider.

SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen.

18LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, USA)

Messung von Gravitationswellen

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Aktuelle Fragen der Teilchenphysik(die zur Zeit experimentell untersucht werden)

• Wie bekommen die Teilchen eine Masse? (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen?)

• Warum sind diese Massen so unterschiedlich?

• Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie (SUSY) ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen.

• Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums?

• Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?

• Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse?

• Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich der Gravitation?

• Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …)