Physik mit Teilchen, Kernen und Sternen Das ExzellenzclusterOrigin and Structure of the Universe...

Physik mit Teilchen, Kernenund Sternen

Das Exzellenzcluster ‚Origin and Structure of the Universe‘

Prof. Stephan Paul

Schülertag TUM - 1.2.20072

Vom Kleinen zum Grossen – Der Kreis der Physik

Schülertag TUM - 1.2.20073

Kräfte und Wechselwirkungen

• Art des ausgetauschten Teilchens bestimmt WW• Reichweite der Wechselwirkung:

– Austauschteilchen is virtuelles Teilchen→ Energiesatz wird verletzt

– Hohen Massen (Energien) Kleine Abstände untersuchen

max mit und

200in Zeit t zurückgelegte Distanz:

[ ]

Teilchen

Teilchen Teilchen

E t E m v c

cr fmm m MeV

Schülertag TUM - 1.2.20074

Wechselwirkungen II• Masselose Teilchen: Graviton, Photon geben eine unendliche

Reichweite (1/r-Gesetz)• Teilchen der Masse m = 80 GeV → Reichweite; 2.5∙10-3 fm ca.

1/1000 Größe eins Protons (schwache WW)• Teilchen der Masse m = 140 MeV → Reichweite: 1,4 fm

(Kernkraft)

Schülertag TUM - 1.2.20075

Die Bausteine der Welt

Schülertag TUM - 1.2.20076

Die Suche nach dem Ursprung der Masse

• Urbausteine (Quarks/Leptonen) haben Masse– Es gibt leichte Bausteine (u,d-Quark, Elektron)– Es gibt schwere Bausteine (b,t-Quark, muon/-Lepton)

ca. 1000-10000 mal schwerer

• Warum – Haben Bausteine die gemessenen Massenwerte– Gibt es Bausteine mit so unterschiedlicher Masse

• Higgs-Mechanismus– Hintergrundfeld erzeugt Masse (Higgs-Teilchen)– Vgl. Schumacher in Fangemeinde.....

Schülertag TUM - 1.2.20077

Der Higgs-Effekt – Wie Masse Entsteht

Schülertag TUM - 1.2.20078

10-43 Sekunden:

Der Vorhang hebt sich…

Superstrings: eine ‘Weltformel’ ?

• Alle Kräfte sind vereint• Die Welt ist 10-dimensional• Doch nur 4 Dimensionen haben nn der Expansion

des Raumes teilgenommen,• Die anderen Dimensionen sind aufgrollt

Raum und Zeit sindschaumig….

Schülertag TUM - 1.2.20079

10-35 - 10-32 s:

Inflation:

Innerhalt 10-32 Sekunden expandiert der Raum um das

1050-fache

• QuantenFluktuationen in der Energiedichte werden verstärkt (3 K Hintergrundstrahlung)• Sie bilden die Grundlage für die spätere Entstehung von Galaxien

Schülertag TUM - 1.2.200710

WMAP 2003

Cobe 1994

Das Babyfoto: MikrowellenTemperaturschwankungen

2006

Schülertag TUM - 1.2.200711

Ein winziger Überschuss von Materie zu Antimaterie wird erzeugt

Aus der 1 in der neunten Stelle hinterm Komma sind WIR gemacht

Schülertag TUM - 1.2.200712

Bis 10-10 Sekunden:

Suppe aus Elementarteilchen und Austauschbosonen in steter WW

Dabei Abkühlung durch räumliche Expansion und Änderung der Kopplungsstärken

Schülertag TUM - 1.2.200713

10-10-10-6 Sekunden:Elektroschwache

Symmetriebrechung

Neutrinos entkoppeln: schwache WW wird zu schwach, Neutrinos sehen andere Teilchen zu selten

Schülertag TUM - 1.2.200714

Wie betrachte ich verschiedene Größenskalen ?

Schülertag TUM - 1.2.200715

Mikroskope.....

Ringbeschleuniger

Beschleungungsstrecke Umlenkmagnete

Nutzbare Energie zur Erzeugung von Neuem: √s = E1+E2

Baue Collider (zwei kollidiernde Strahlen)

Schülertag TUM - 1.2.200716

CERN – Herr der Ringe

8.6 km

Schülertag TUM - 1.2.200717

LHC-Ring - Simulation

CERN Beschleuniger und das LHC

Testaufbau8 TeV auf 8 TeV Kollisionen.... Mp ~ 1 GeV und E=mc2

Schülertag TUM - 1.2.200718

Wie sieht ein Detektor aus ?

Schülertag TUM - 1.2.200719

Eindrücke eines Superdetektors

Zentraler Detektorteil - Rohbau

Transportprobleme ??

Schülertag TUM - 1.2.200720

Was passiert bei einer harmlosen Kollision ?

Strahl Strahl

Schülertag TUM - 1.2.200721

Kollisionen bei hohen Energien:

Higgs Teilchen simuliert

Schülertag TUM - 1.2.200722

10-4-10-2 Sekunden:

Proton und Neutron kondensieren aus der

Suppe von Quarks und Gluonen

(Quark-Gluon Plasma)

Ansicht eines ProtonsMit hoher Auflösung

Schülertag TUM - 1.2.200723

10-2-103 Sekunden:

Entstehung der ersten Elemente

Primordiale Nukleosynthese

Die ersten 3 Minuten sind vorüber

Es gibt keine stabilenElemente mitA=5

4He ist Endstation

Schülertag TUM - 1.2.200724

FRM II der TUM

Einlasskonfiguration

Messung der Lebensdauer des Neutrons

Neutron trajectories

good bad

Magnetischer MultipolBeff ~ 2T

Stromleiter

Proton Nachweis

Der ReaktortankDie Neutronenextraktion

Schülertag TUM - 1.2.200725

105 Jahre:Entstehung der Atome

Entkopplung der Photonen

Ab 109 Jahre:Entstehung der Sterne und Galaxien

Schülertag TUM - 1.2.200726

Elemtenstehung - Was macht ein Stern ?

Schülertag TUM - 1.2.200727

Was macht die Sonne ?

Kernfusion im Herzen der Sonne: 4 p 4He + 2e+ + 2

e (+ 26.7 MeV)

genauer:

e

e

e

e

e

Neutrino energy [MeV]

auf der Erde:65 Milliarden Neutrinos pro s und cm2

Schülertag TUM - 1.2.200728

Licht und Neutrinos von der Sonne.. Stimmt das ?

50 000 t H20 Cerenkov Detektor

40 m hoch40 m Ø

11146 Licht-detektoren50 cm Ø

1 km tief inKamiokaMine, Japan

Schülertag TUM - 1.2.200729

Bis jetztEntstehung der schweren Elemente:

Supernovaexplosionen

Ende einer Supernovaexplosion: Schwarzes Loch

Im Zentrum jeder Galaxie findet sich ein schwarzes Loch:

Beispiel: unsere Milchstrasse (Bild im Nahinfraroten - VLT):

Schülertag TUM - 1.2.200730

Kernphysik – Die Landkarte der Kerne

Schülertag TUM - 1.2.200731

Entstehung neuer Elemente im Labor

GSI – IonenbeschleunigerUNILAC

Schülertag TUM - 1.2.200732

Dennoch…. Wir wissen wenig

Sterne und Galaxien machen nur ~0.5% aus Neutrinos ~0.3–10% Rest normaler Materie (Elektronen and Protonen) ~5% Dunkle Materie ~30% Dunkle Energie ~65% Anti-Materie 0% Higgs Kondensate ~%??

Schülertag TUM - 1.2.200733

Unsere Instrumente für große Objekte

Universitätsternwarte (LMU) - Wendelstein

Paranal VLT Chile (ESO)

Schülertag TUM - 1.2.200734

Und Wie War’s Ganz Am Anfang ?

Schülertag TUM - 1.2.200735

Mehr Info auf: www.universe-cluster.de