Hands on Particle Physics Masterclass Oliver Grünberg 1
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- Folie 1
- Hands on Particle Physics Masterclass Oliver Grnberg 1
- Folie 2
- Fahrplan 1. Einfhrungsvortrag (45 Min.) 2. Diskussion &
Pause (20 Min.) 3. Einfhrung in die Messungen (30 Min.) 4.
Datenauswertung & Pause (75 Min.) 5. Ergebnisanalyse &
Diskussion (15 Min.) 6. Abschlussquiz (20 Min.) 7. Vorstellung des
Netzwerkes Teilchenwelt (10 Min.) 2
- Folie 3
- EINFHRUNG IN DIE TEILCHENPHYSIK 1. Teil 3
- Folie 4
- Wozu Teilchenphysik? Klrung der Grundfragen der Physik Welche
elementaren Teilchen gibt es ? Welche Krfte gibt es ? Wie entstand
unser Universums ? Gibt es eine Weltformel ? 4
- Folie 5
- Von gro nach klein Auge Auflsung bis ca. 1mm Lichtmikroskop
Auflsung bis ca. 1m = 0,001mm . und weiter ? 5
- Folie 6
- Wie sehen wir Strukturen? Sehen = Abbilden ! Wir sehen nur ein
Abbild des Objekts Photonen tasten Oberflche des Objekts ab
Genauigkeit des Abbilds ist begrenzt durch Eigenschaften der
Lichtquelle und des Detektors Lichtquelle Detektor Objekt 6
- Folie 7
- Auflsung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten
Keine Auflsung der Punkte/Lcke falls Photonen > Struktur 7 1.
2.3. Detektor
- Folie 8
- Auflsung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten
Kleine Strukturen kleine Photonen Gre der Lichtteilchen gegeben
durch Wellenlnge Sichtbares Licht: = 400 800 nm Auflsung fr Auge
somit stark begrenzt! 8 1. 2.3. Detektor
- Folie 9
- Neue Wege zur Untersuchung Benutze anderes Teilchen als Photon
Quantenphysik sagt uns: h Planckkonstante p Impuls des Teilchens:
p=m v Folgerung: Teilchen mit hohem Impuls haben kleine Wellenlnge:
Nutze schnelle Elektronen statt Photonen Elektronenmikroskop 9
- Folie 10
- 10 Virus Silizium- kristalle
- Folie 11
- Streuversuche 11
- Folie 12
- Entdeckung der Atomstruktur Rutherford Streuexperiment (1910)
12 + Elektron + Atomkern
- Folie 13
- Entdeckung der Quarks Beschuss von Protonen mit schnellen
Elektronen Streuung der Elektronen an Quarks 13 Detektor
- Folie 14
- Grundlagen 1803: Elemente bestehen aus unteilbaren Einheiten
(Atomen) 1897: Entdeckung des Elektrons 1910: Atome haben Kern und
Schale 1935: Kern besteht aus Protonen & Neutronen 1960er:
Protonen & Neutronen bestehen aus Quarks 14
- Folie 15
- Bekannte Materieteilchen Bekannte Materie besteht aus Teilchen
der 1. Familie Je hher die Familie desto schwerer die Teilchen 2.
und 3. Familie nur kurz nach dem Urknall vorhanden 15
- Folie 16
- Bewegungsgesetze Wir wissen jetzt woraus Materie besteht, aber
wie verhlt sie sich? Bsp: Gravitation - Flugkurve beim Kugelstoen
16 Newtonsche Mechanik:
- Folie 17
- Bewegungsgesetze Ab 1925: Quantenmechanik (Atome, Molekle) Ab
1928: Quantenfeldtheorie fr schnelle Teilchen
(Teilchenbeschleuniger) 17 Krfte sind die Ursache fr Bewegungen
(Dynamik) Es gibt 4 bekannte Krfte im Universum Gravitation,
Elektromagn., starke Kraft, schwache Kraft
- Folie 18
- Krfte und Ladungen Zu jeder Kraft gehrt eine Ladung Teilchen
tragen Ladungen Krfte koppeln an die Ladung eines Teilchens (Bsp.
F=m g Gravitation ~ Masse) Krfte knnen abstoend oder anziehend sein
Kraftwirkung = bertragung von Energie und Impuls durch
Kraftteilchen Elektron Photon 18
- Folie 19
- Ladungen von Teilchen 4 fundamentale Wechselwirkungen 4
fundamentale Ladungen: 1. Farbladung Starke Wechselwirkung 2.
Elektr. Ladung Elektromagnetismus 3. Schw. Ladung Schwache
Wechselwirkung 4. Energie, Masse Gravitationskraft Summe der
Ladungen bleibt erhalten Ladungen eines Teilchens beeinflussen sich
nicht gegenseitig 19
- Folie 20
- Bsp.: die 3 Gesichter eines Quarks Photon (el. Ladung) W,Z
(Schwache Ladung) Gluon (Farbe) Q= 1/3, 2/3 F=R,G,B T=1/2,0 Quark
20
- Folie 21
- Die elektromagnetische Kraft Eigenschaften Ladung: elektrische
Ladung Q Kraftteilchen: Photon Empfnger: Quarks, Elektronen,
Protonen Reichweite:, Strke: Beispiele: Laser, Radiowellen,
Rntgenbilder, chemische Bindungen 21
- Folie 22
- Die starke Kraft Eigenschaften Ladung: 3 Farbladungen - rot,
grn, blau Kraftteilchen: Gluon Empfnger: Gluon, Quark, Proton,
Neutron Reichweite: Strke: Beispiele: stabile Atomkerne,
Quarkbindung zu Proton: Pion: 22
- Folie 23
- Die schwache Kraft Eigenschaften Ladung: schwache Ladung (T =
1/2,0) Kraftteilchen: W, Z0 Empfnger: Quarks, Leptonen Reichweite:
Strke: Beispiele: Beta-Zerfall von Neutron und Proton 23
- Folie 24
- Die Gravitation Ladung: Energie, Masse Kraftteilchen:
Graviton(?) Strke: Reichweite: Beispiele: Erdanziehung,
Planetensysteme, Schwarze Lcher 24
- Folie 25
- Zusammenfassung Krfte 25
- Folie 26
- Feynman-Diagramme (Sheldon zeigt Penny Feynman-Diagramme des
Top-Quarks Zerfalls)
- Folie 27
- Feynman-Diagramme Darstellung der Wechselwirkungen Berechnungen
anhand der Graphen mglich Bsp. W- Elektron-Elektron Streuung
Elektromagn. WW. Myon-Zerfall Schwache WW. 27
- Folie 28
- Zusammenfassung: Teilchen & Krfte (bis Mrz 2013) 28
- Folie 29
- Zusammenfassung: Teilchen & Krfte (ab Mrz 2013) 29
Higgs
- Folie 30
- Was ist das Higgsteilchen ? Vakuum: Higgs-Teilchen alleine
reelles Teilchen zieht HiggsT. an Teilchen wird gebremst und trge,
d.h. es wird massiv Im SM sind alle Teilchen masselos Ansatz: Es
gibt ein allgegenwrtiges Higgsfeld ( Higgsfeld = Raumbereich in dem
Higgsteilchen wirken) WW des Higgs-Teilchen mit anderen Teilchen
verleiht ihnen Masse
- Folie 31
- Folie 32
- Higgsfeld und Massenerzeugung 1.Beschleunigung eines Elektrons
durch elektrisches Feld (Energiebertragung) 2.Higgsfeld betrgt
Energie = Masse / c via Higgsteilchen an das Elektron WW Feld
Teilchen
- Folie 33
- LHC - Die Higgsfabrik LHC = Large Hadron Collider Kollidiert
Protonen mit E(Proton) = 4000 TeV v = c 9m/s Lnge: 27 km 4 groe
Experimente:
- Folie 34
- Folie 35
- Produktion von Higgsteilchen Higgsteilchen knnen erzeugt
werden, wenn Protonen mit hoher kinetischer Energie kollidieren,
bspw: Produktionsrate insgesamt: ~10 Higgs / Minute Proton Higgs
Gluon q q q Gluonfusion
- Folie 36
- Nachweis des Higgsteilchens Das Higgs zerfllt auf viele Arten
Zwei gut messbare Zerflle: H H Z0Z0 Z0Z0 q q q l+l+ l-l- l+l+ l-l-
P = 0.23% P = 0.03% l = e,
- Folie 37
- Ergebnisse: Higgs
- Folie 38
- Higgs 4l ( l = e, )
- Folie 39
- Ereignisbild mit Higgs
- Folie 40
- Physiknobelpreis 2013 An Peter Higgs und Francois Englert fr
die Theorie des Higgsmechanismus
- Folie 41
- Offene Fragen 1. Frage: Wie entstand unser Universum? 41
- Folie 42
- Offene Fragen 2. Frage: Wo ist die Antimaterie? Am Anfang des
Universums gab es gleich viel Materie und Antimaterie Eine Sekunde
spter war die Antimaterie weg CP-Verletzung: Materie und
Antimaterie verhalten sich ein bisschen unterschiedlich
- Folie 43
- Offene Fragen 3.Frage: Woraus besteht unser Universum?
bekannter Materie macht nur 4% unseres Universums aus 43
- Folie 44
- Offene Fragen 4. Frage: Gibt es eine Weltformel? Zusammenfhren
von Theorien schon teilweise gelungen! 44 Schwache Wechselwirkung
Elektrostatik Magnetostatik Elektrodynamik (1864) QED (1940er)
Starke Wechselwirkung Gravitation Elektroschwache Wechselwirkung
(1967) Groe Vereinheitlichung Weltformel Theory of Everything
2010
- Folie 45
- Offene Fragen 5. Haben Quarks Unterstrukturen? 6. Weitere
Elementarteilchen? 7. Weitere Dimensionen? 45 es gibt noch viel zu
tun!
- Folie 46
- MESSUNG DES Z0-ZERFALLS 2.Teil 46
- Folie 47
- Das Opal-Experiment Vielzweck-Experiment am CERN von 1989 bis
2000 Ziel: Erforschung des Z0 und seiner Zerflle Grundprinzip:
Kollision von e+ und e- und Erzeungung von Z0 47
- Folie 48
- Das Z0-Boson 1960er: Vorhersage in der Theorie der
elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er:
genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: Masse = 91,2 GeV/c 48
GeV/c?
- Folie 49
- Masse und Energie Einstein sagt: E=mc m=E/c Umrechnung: Nutze
Einheit Elektronenvolt: Typische Gre: 1`000`000 eV = 1MeV Bsp. m(
)= 0 MeV/c m(e-) = 0.5 MeV/c m(-) = 106 MeV/c m(p+) = 938 MeV/c
m(Z0) = 91200 MeV/c = 91,2 GeV/c 49
- Folie 50
- Das Z0-Boson 1960er: Vorhersage in der Theorie der
elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er:
genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: Masse = 91,2 GeV/c 97
H-Atome Elektrisch neutral Lebensdauer: Unterliegt der schwachen WW
und Gravitation 50
- Folie 51
- http://www.particlezoo.net/ Das Z0 Teilchen ist kuflich!
- Folie 52
- Zerflle von Teilchen Fast alle Teilchen sind instabil und
Zerfallen (auer Proton, Photon, Elektron) Art und Weise der Zerflle
durch Naturkrfte bestimmt Teilchenphysiker rekonstruieren Teilchen
aus seinen langlebigen Zerfallsprodukten Bsp: Betazerfall: n p + e-
+ Wichtig fr alle Zerflle: Messung von Energie & Impuls
Energie- & Impulserhaltung 52
- Folie 53
- Ergebnis der Neutronrekonstruktion Lebensdauer ( ) und
Energiebreite ( ) sind verknpft: 53
- Folie 54
- Lebensdauer und Zerfallsbreite Die Lebensdauer/Zerfallsbreite
eines Teilchens ist abhngig von Zahl der mglichen Zerflle
(Zerfallskanle) n Je mehr Lcher desto schneller ist der Eimer leer
Je mehr Zerflle desto breiter das Energiespektrum 54 1 2 3
- Folie 55
- Bedeutung des Z0 Zentrale Frage: Wieviele Teilchen-Generationen
gibt es? Besonderheit des Z0: Es zerfllt nur in Teilchen einer
Familie! 55
- Folie 56
- Zerfallsbreite des Z0 56 Breite gibt Aufschluss ber Zahl der
Familien = Zahl der Neutrinos Zerfallsbreite des Z0 spricht fr 3
Neutrinosorten 3 Teilchenfamilien
- Folie 57
- Zerfallswahrscheinlichkeit Heute: Messe die
Zerfallswahrscheinlichkeiten des Z0 Definition: Betrachte 4
Zerfallsmglichkeiten: 1. Z0 e+ e- 2. Z0 + - 3. Z0 + - 4. Z0 quark
anti-quark 57
- Folie 58
- Z0 Zerflle im OPAL-Detektor 58
- Folie 59
- Z0 Zerflle im OPAL-Detektor 59
- Folie 60
- Z0 Zerflle im OPAL-Detektor 60 Kalorimeter aus Bleiglas Myonen-
Detektor
- Folie 61
- Z0 Zerflle im OPAL-Detektor 61
- Folie 62
- Backup 62
- Folie 63
- Der Teilchenzoo 63
- Folie 64
- Relativittstheorie Energie-Masse quivalenz: E=mc Genauer:
Falls: Masse: unvernderlicher Teil der Gesamtenergie (Bsp. Kugel) E
= m + p E m p 64
- Folie 65
- Lebensdauer und Zerfallsbreite 1. Schwere Teilchen zerfallen
immer in leichtere, wenn mglich! 2. Der Zerfall eines Teilchens ist
ein statistischer Prozess! Manche Z0 leben lnger als andere 65
Zerfallsgesetz:
- Folie 66
- Quantenphysik & Relativitt Teilchen-Welle-Dualismus: auch
massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte)
Klassisch 66
- Folie 67
- Quantenphysik & Relativitt Teilchen-Welle-Dualismus: auch
massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte)
Modern 67
- Folie 68
- Quantenphysik & Relativitt Teilchen-Welle-Dualismus: auch
massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte)
Modern 68
- Folie 69
- Folie 70
- Zusammenfassung: Teilchen & Krfte (bis Mrz 2013)