Programm 09.30 – 09.50: Begrüßung und Umfrage 09.50 – 11.30: Vorträge Ein Universum voller...

Programm• 09.30 – 09.50: Begrüßung und Umfrage• 09.50 – 11.30: Vorträge

• Ein Universum voller TeilchenEinführung in die Teilchenphysik

• Das Unsichtbare sichtbar machenDetektoren und Wechselwirkung von Teilchen mit Materie

• 11.30 – 12.00: Pause (Mittagessen)• 12.00 – 14.00: PC-Übung und Auswertung

• Einführung in die PC-Übung• PC-Übung• Auswertung

• 14.00 – 14.10: Pause• 14.10 – 15.30: Abschlussvortagr, Quiz und Umfrage

Ein Universum voller Teilchen

Einführung in die Teilchenphysik

25.01.2012 Martin Mamach

Motivation

Warum?

Motivation

Motivation

Was?

Motivation

KollisionenMaschine

Motivation

Alle uns bekannten Bausteine

Motivation

Alle uns bekannten Bausteine

4%

Motivation

Kräfte

Motivation

Kräfte

Motivation

Kräfte

Motivation

Kräfte

Motivation

Freude und Begeisterung

Motivation

Freude und Begeisterung

... Begründung für 174 Millionen Euro (2010)

Motivation

• Grundlagen der Physik der Elementarteilchen und von Detektoren• Teilchenzoo des Standardmodels• Arbeitsweise von Beschleunigern• Themen aktueller Forschung

(Gelehrt ab dem 5. Semester des Physikstudiums)

• Verständnis wissenschaftlicher Arbeit• Womit und wie werden Teilchen erkannt• Datenanalyse mit echten Daten

• Superlative in der modernen Physik• CERN • Andere Teilchen- und Astroteilchenphysik

Motivation

Motivation

Motivation

Motivation - Spielregeln

Ihr fragt etwas• Interesse am

Thema• Ausführlichere

Erklärung

Wir fragen etwas• Zum Nachdenken

anregen• Probleme?

Motivation - Spielregeln

Ihr fragt etwas• Interesse am

Thema• Ausführlichere

Erklärung

Wir fragen etwas• Zum Nachdenken

anregen• Probleme?

Mitarbeit verbessert es für beide Seiten

Motivation - Spielregeln

Ihr fragt etwas• Interesse am

Thema• Ausführlichere

Erklärung

Wir fragen etwas• Zum Nachdenken

anregen• Probleme?

Mitarbeit verbessert es für beide Seiten

Es gibt keine dummen Fragen!Schätzen ist die Aufforderung etwas falschen zu sagen!

Ein Universum voller Teilchen

Einführung in die Teilchenphysik

25.01.2012 Martin Mamach

Aller Anfang …

• In ca. 6 Gruppen teilen• Jede Gruppe bekommt 14 Ereignisse

Woran oder wodurch können wir die Ereignisse unterscheiden ?

Bsp.: Anzahl der Richtungen in welche die Spuren fliegen.

Spurensuche

Bevor wir die Spuren untersuchen und verstehen können ...

... müssen wir wissen, womit wir es zu tun hat.

Aufbau der Materie

• Stecknadelkopf: 10-3m = 0,001m• Elektron, Quark:

<10-18m = 0,000000000000000001m

10-15 mProton

10-9 mMolekül

10-14 mAtomkern

<10-18 mQuark,

10-10 mAtom

1/10.000 1/10 ~ 0,01 mKristall

1/10.000.000 1/10 1/1.000

Elektron

Andere Einheiten

• Größe:1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m(1 µm = 1.000.000.000 fm)

• Energie: 1 eV = 1 Elektronvolt = 1.6 * 10-19 J(eine Ladung auf einem Meter bei 1 V Spannung)

1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze 0,000.000.0001

Sekunden zum Leuchten bringen

Andere Einheiten

• Größe:1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m(1 µm = 1.000.000.000 fm)

• Energie: 1 eV = 1 Elektronvolt = 1.6 * 10-19 J(eine Ladung auf einem Meter bei 1 V Spannung)• Masse via e = mc-2 :

1 eV = 1.78 * 10-36 kg( Protonmasse = 938 MeV ≈ 1 GeV)

Streuversuche: Unsichtbares Sichtbar machen

E.Rutherford: Struktur der Atome durch Streuversuche

Von Beschleunigern zu Collider

Ein Beschleuniger lenkt einen Strahl von beschleunigten Teilchen auf ein festes Ziel.

Collider – zwei kombinierte Beschleuniger:Zwei Teilchenstrahlen werden beschleunigt und zur Kollision gebracht:

Größere Energien werden erreicht.

Arten von Experimenten

• Elektron-Positron-Collider: Präzisionsmessungen• LEP, CERN in Genf bis 2000 (bis 105 GeV pro Strahl)• ILC (International Linear Collider) ab 2015(?)

• Elektron-Proton-Collider: Substrukturmessungen• HERA, DESY in Hamburg, bis 2007 (e: 30 GeV, p: 920 GeV)

• Hadron-Hadron-Collider: Enteckungsmaschienen• TEVATRON, FERMILAB in Chicago,

bis 2009 (900 GeV pro Strahl)• LHC, CERN in Genf (Proton-Proton)

seit 2009 (7000 GeV pro Strahl)

Wozu mehr Power?Teilchenstrahlen höchster Energie notwendig, dennmit steigender Energie E (bzw. Impuls p) der Projektile steigt • die Fähigkeit,

kleine Strukturen Dx zu erkennenDx Dp = ħ (Heisenberg)

• die Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugenE = mc2 (Einstein)

Wie beschleunigt man Teilchen?

Wie beschleunigt man Teilchen?

• Nur Verwendung geladene Teilchen

Wie beschleunigt man Teilchen?

• Nur Verwendung geladene Teilchen (elektrisch)Mit einem elektrischen Feld

Wie beschleunigt man Teilchen?

• Nur Verwendung geladene Teilchen (elektrisch)Mit einem elektrischen Feld

Teilchenbahn

magnetisches Feld

Wie lenkt man ein Teilchen?

• Mit einem Magnetfeld

sehr starke Magnetfeldernotwendig:o hoher Stromverbraucho nur möglich mit supraleitenden Magneten

Verschiedene Arten von Beschleunigern

Linearbeschleuniger: Speicherring:

• Funktionsprinzip:

Notwendige Zubehör:Teilchenbeschleuniger

Notwendige Zubehör:Teilchenbeschleuniger

Datennehmer:Detektor

Zielobjekt:Physik

Grundkräfte

4 bekannte Grundkräfte

Grundkräfte

4 bekannte Grundkräfte

Austauschteilchen sind die Quanten der Kraftfelder

Grundkräfte

Elektromagnetische Kraft

bekannteste aller Kräfte: elektrische und magnetische Phänomene

Botenteilchen: Photon γ

Eigenschaft der starken Kraft:- die notwendige Energie zum separieren von Quarks wächst mit dem Abstand (Analogie: Federkraft)- Gluonen tragen Farbladung und koppeln aneinander

Grundkräfte

Starke Kraft - Quantenchronodynamik• Quarks erscheinen nur im Verband (Bsp Proton = |uud> , Neutron = |ddu>)• Quarks erscheinen frei beweglich im Verband

Grund: Farbneutral3 Ladungen: rot, grün, blau

Grundkräfte

Schwache Kraft

Grundkräfte

Schwache Kraft

• Eigenschaften durch Theorie und andere Experimente gut vorhergesagt/bestimmt

Später selber bestimmen

Bausteine der Materie• Strukturlose, fundamentale

Teilchen: Alle Leptonen

• Teilchen mit innerer Struktur:• Proton, Neutron,….• aufgebaut aus Quarks

Stabile Materie: ? ? ?

Bausteine der Materie• Strukturlose, fundamentale

Teilchen: Alle Leptonen

• Teilchen mit innerer Struktur:• Proton, Neutron,….• aufgebaut aus Quarks

Stabile Materie: up- und down-Quark, Elektronen

Das Standard-Modell der Teilchenphysik

Sehr erfolgreiches Modell: Bisher in allen experimentellen Tests gut bestätigt

Noch nicht entdeckt, aber schon Hinweise gefunden: Higgs-Boson erklärt, wie Teilchen Masse bekommen

Offene FragenDas Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen

experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:

Offene FragenDas Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen

experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:

• Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)?• Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende

Antimaterie (CP-Verletzung)?

Offene FragenDas Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen

experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:

• Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)?• Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende

Antimaterie (CP-Verletzung)?• Gibt es eine fundamentale Kraft?• Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde?• Gibt es zusätzliche Dimensionen?

Offene FragenDas Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen

experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:

• Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)?• Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende

Antimaterie (CP-Verletzung)?• Gibt es eine fundamentale Kraft?• Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde?• Gibt es zusätzliche Dimensionen?• Kennen wir alle Teilchen

(Supersymmetrie, 4. Generation)?• Wir kennen nur einen kleinen Teil

des Universums (Dunkle Materie und dunkle Energie)!

Offene FragenDas Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen

experimentellen Tests erfolgreich standgehalten, lässt aber viele Fragen offen:

• Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)?• Was ist der Ursprung der Materie und wo ist die fehlende

Antimaterie (CP-Verletzung)?• Gibt es eine fundamentale Kraft?• Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde?• Gibt es zusätzliche Dimensionen?• Kennen wir alle Teilchen (Supersymmetrie, 4. Generation)?• Wir kennen nur einen kleinen Teil des Universums (Dunkle Materie

und dunkle Energie)!

LHC mit ATLAS, CMS, ALICE und LHCb

Notwendige Zubehör:Teilchenbeschleuniger

Datennehmer:Detektor

Zielobjekt:Physik