Ob mir durch Geistes Kraft und Mund nicht manch Geheimnis ...Die Entdeckung des Neptun...

"Ob mir durch Geistes Kraft und Mund nichtmanch Geheimnis würde kund... Daß icherkenne, was die Welt im Innerstenzusammenhält, schau' alle Wirkenskraft undSamen, und tu' nicht mehr in Worten kramen.“

Johann Wolfgang von Goethe, Faust I

K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004

Die drei großen Fragen

Das KOMPLEXE

Das GROSSEDas KLEINE

100.000.000.000.000.000.000.000 Sterne0.000000000000000001 Meter

100.000.000.000.000 Synapsen

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Eisenkristall im Mondgestein

Zeichen aus dem Mikrokosmos : KristalleK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004

Atome sind kein abstraktes Konzept sondern Realität

Kohlenstoffatome auf einer Metalloberfläche

Scanning Tunneling Microscope

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Das Wasserstoffatom - falsch und richtig

0.0000000001 = 1 Å

Wellenmuster : Auslöschung undVerstärkung - eine Konsequenz derQuantenmechanik

ABER : Atome sind räumlich lokalisierteObjekte

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Elektrizität und Magnetismus

Zwei Kräfte - Eine Ursache : Die elektrische Ladung

Wasserstoff : Elektron -e Proton +e

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Photoelektrischer Effekt

PhotonAtom mit Elektron

e-

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Röntgenstrahlung - Bremsstrahlung

Röntgen-Photonenwerden durch„Beschleunigung“von Elektronenerzeugt.

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Antiteilchen + Teilchen

Das Positron (ein positives Elektron)(1932) aus der kosmischen Strahlung

Generelles Prinzip : Antiproton, Antineutron, Antiatom,Antimaterie, ....

Umkehrung (aus plus wird minus) einiger Eigenschaften(z.B. elektrische Ladung), aber nicht allerEigenschaften (keine „negative Masse“)

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Strahlung (Photonen) aus Materie (PET)

Äquivalenz von Masse undEnergie (Vernichtung) :

m · c2 = E

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Wechselwirkungen mit Photonen

R.P. Feynman

Konzept : Elektrische und magnetische Kräftewerden durch den Austausch von Feldquantenbeschrieben. Das Photon übernimmt diese Rolle

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Übermittler der KräfteK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004

Der Atomkern (Kohlenstoff)

0.00000000000001 Meter = 10 Fermi1/100.000 der Atomgröße

Aber 99.9 % der Masse des Atoms

Eine ANDERE Kraft -Die Kernkraft :STARK aberkurzreichweitig

Proton -geladen

Neutron -ungeladen

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Quarks und Nukleonen

Gebrochene Ladungen : etwas Bruchrechnung .....

Proton : 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1

Neutron : 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0

Plausibles Bild, aber was hält die Quarkszusammen ? Kraftteilchen ?

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Kernfusion - Stark und Schwach

νe (Neutrino)

νe (Neutrino) Ein Neutron entsteht !

Reparatur der Ladung !

5 MillionenNeutrinos proSekunde proQuadrat-zentimeterauf der Erde

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Viel Masse fängt Neutrinos

Kamioka Mine (Japan)

• 50.000 Tonnes reines Wasser

• 11.200 Lichtdetektoren

• 1000 Meter unter Grund

Neutrinos → Reaktion mit demWasser → geladene Teilchen →Licht → Richtungsmessung

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Signale von der Sonne

Farbe repräsentiertWellenlänge dessichtbaren Lichtes

ELEKTROMAGNETISMUS

„Farbe“ repräsentiertAnzahl derrekonstruiertenNeutrinoreaktionen imWassertank

SCHWACHE KRAFT

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Neutrinos an CERN Beschleunigern (1973)

Aufbrechen eines Nukleonsdurch ein Neutrino

Anstoßen eines Elektronsdurch ein Neutrino

Neutrinos können Materie anstoßen(selten)... Schwache Kraft

Plausibles Bild, aber was vermittelt dieschwache Kraft ? Kraftteilchen ?

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Materie aus Strahlung

Ein Photon hoher Energie

Vernichtung und Produktion imFeynman Bild

Vernichtung vonTeilchen undAntiteilchen

Strahlung(Energie)

Neue Formenvon Materie

Das Arbeitspferd derexperimententellenElementarteilchenphysik

Äquivalenz von Masse und Energie E = m·c2

Elektron Positron

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LEP am CERN : Elektronen/Positronen (1989-2000)

Effektive Vernichtungsenergie :90 bis 200 Protonmassen

Verfügbar für NEUE Objekte

Elektronen Positronen

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Beispiel Myonen (ALEPH bei LEP)

Die schwerenSchwestern derElektronen (200mal schwerer)

Bekannt seit 1937als Komponenteder kosmischenStrahlung

(auch im Foyer zubesichtigen)

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Quarks - ein kleines Problem ...

Quark-Antiquark Paare

Freie Quarks werden NIEbeobachtet, jedochBündel (JETS) aus„normalen“Elementarteilchen

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Starke „Röntgenstrahlung“ (GLUONEN)

1979 : Entdeckung desGLUONS in Form einesdritten „JETS“ amSpeicherring PETRAam DESY in Hamburg

Dies ist das Feldquantder starken Kraft

Gluon

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Übermittler der KräfteK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004

W und Z - Träger der schwachen Kraft

Interessant : 3 verschiedene Feldquanten

2 elektrisch geladen (W+ und W-) → Sonne !

1 elektrisch neutral (Z0) → Anstoßen des Elektrons beim CERN

extrem schwer (80 - 90 Protonenmassen)

extrem kurzlebig (instabil)

→ schwach und kurzreichweitig

DirekterNachweis 1983und 1984 amProton-AntiprotonCollider des CERN

(Nobelpreis 1984)

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LEP : W-Paarproduktion

!

e+

+ e"#W

++W

"# quark + antiquark + e

++ $

Die hohe Kunst desExperimentierens anBeschleunigern

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Übermittler der Kräfte - Das StandardmodellK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004

Die Stärke der Kräfte

Stärke

Energie

Abstand

schwach

elektromagnetisch

stark

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Teilchen unserer WeltK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004

Teilchen - Das Standardmodell

1/2000 derProtonmasse

175 Protonmassen

3 strukturell gleiche Familien mit steigender Masse

„Erklärung“ für die Masse „Trägheit“..

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Der Higgs Mechanismus - Masse

Higgs-Hintergrundfelderfüllt den Raum

Ein Teilchenim Higgs-Feld...

... Widerstand gegenBewegung ...Trägheit ↔ Masse

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Der Higgs Mechanismus - ein neues Teilchen als Beweis

Anregung desHintergrundfeldes

angeregtes Higgs-Hintergrundfeld schweres Higgs-Bosons

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Die Entdeckung des Neptun

„Theoretiker (Mathematiker)“Leverrier und Adamsinterpretieren 1846Bahnstörungen des Uranus undsagen die Position eines neuenPlaneten voraus

Galle und d‘Arrest entdecken an der Berliner Sternwarte den Neptun an dervorhergesagten Position. Eine Vorhersage auf Grund einer beobachtetenkleinen Abweichung vom „Standardmodell“

DIES IST DIE SITUATION DER TEILCHENPHYSIK BEIM HIGGS MECHANISMUS

aus der sorgfältigen Analyse aller Experimente, speziell bei LEP

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Der Large Hadron Collider (LHC)

Hochenergetische Proton-ProtonKollisionen im LEP Tunnel

Zugang zu Massenskalen bis1.000.000 Protonmassen

Inbetriebnahme 2007

Eine neue Dimension desExperimentierens

2000 Physiker aus 150Institutionen konzipieren undbauen erfolgreich ein Experiment(ATLAS)

4 Experimente mitunterschiedlichen Zielsetzungen

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1200 supraleitende MagneteK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004

Das ATLAS Experiment

Zielsetzung : Möglichst vollständige Abdeckung derWechselwirkungszone zum Nachweis von produziertenTeilchen.

45 Meter

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Wissenschaftliche Ziele am LHC

• Vollendung des Standardmodells durch den Nachweis des Higgs Bosons

• Suche nach einer supersmmetrischen Spiegelwelt (zu jedemMaterieteilchen ein neues „Feldquant“, zu jedem Feldquant ein neues„Materieteilchen“ (Beispiele : Squark, Selektron, Photiono, Gluino,...)

Eine verrückte Idee ? Es gibt viele indirekte Hinweise, gewisse supersymmetrische Teilchen hätten eine kosmologische Relevanz

• Suche nach einer neuen Raumstruktur bei kleinen Abständen (neueRaumdimensionen)

• Völlig unerwartete Phänomene

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Kosmologische Relevanz

GravitativeLichtablenkung lieferteine Massenverteilungim Universum, dievollständig durch nichtsichtbare Materiedominiert ist.

Standardmodell derKosmologie :

4% : BaryonischeMaterie (wir und dieSterne)

23% : Dunkle Materie

73% : Dunkle Energie

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Vom Kleinen zum GroßenPhysik : DiediskutiertenKonzepte liefernhinreichendesVorwissen füreine einfacheDarstellung derEntstehung desUniversums(Strukturen,Materie ausStrahlung)

Sie werfen aberauch viele Fragenauf (Materie /AntimaterieAsymmetrie)

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Die drei großen Fragen

Das KOMPLEXE

Das GROSSEDas KLEINE

100.000.000.000.000.000.000.000 Sterne0.000000000000000001 Meter

100.000.000.000.000 Synapsen

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