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2
• Overview: Particles and Interactions
• Methods: Accelerators and Detectors
• The Standard Model of Particle Physics
• Open Questions
• Particle physics in Aachen
universetoday.com
Die Struktur der Materie
elektromagnetische Kraft (= elm. Wechselwirkung)
Kernkraft ~ starke Wechselwirkung
= 1 fm
Elementar-
teilchen( )
Grundlagen der Teilchenphysik
Quantentheorie
relevant wenn Größen der Dimension „Wirkung“
(= Energie * Zeit = Impuls * Ort) nicht seV16106.6
Konsequenzen: Unschärferelation: , „Zufall“, ... px
Beispiel: Eigendrehimpuls (= Spin) des Elektrons: 2/
Relativitätstheorie
relevant wenn Geschwindigkeiten smcv /100.3 8
Beispiel: Quark im Proton:
Konsequenzen: , Zeitdilatation, , ... cv
cv 999.0
1
1
2cmE
fMeV 1200
Die 4 Grundbausteine des Sonnensystems
Elementarteilchen mit Spin ½ (Fermionen)
elementar: punktförmig/keine innere Struktur (heutige Messgenauigkeit )
Neutrino 0 < 2 eV (Sonne auf Erde: )
Elektron -1 0.5 MeV
up-Quark 2/3 2 MeV
down-Quark -1/3 5 MeV
(nicht „direkt“ beobachtbar)
Kerne: Proton (938 MeV) = u u d, (Neutron), He, Li, ...., Mesonen
sm //106 214
Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung:
...uuee
m1810~
(3 „Farb“-Varianten)
Die 4 Kräfte/Wechselwirkungen
Gravitation: vernachlässigbar im Mikrokosmos
erfahrbar: a) Bindungsphänomene b) Dynamik: Streuprozesse, Zerfälle
Elektromagnetische WW:
a) Atom b) (elast. Streuung)pepe
Schwache WW:
a) - b)
(Beta-Zerfall) Starke WW:
a) Nukleonen im Kern b)
Quarks im Nukleon (Fusion zu Deuteron)
)( epneud
dnp
QE
D
QF
D
QC
D
6
Beschreibung der Wechselwirkungen
Feynman-Diagramme: Visualisierung und
Berechnung von Wahrscheinlichkeiten
Beispiele:
Elastische Elektron-Quark-Streuung (elm. WW):
Erzeugung eines Quark-Antiquark-Paares in der -Annihilation (elm.WW)ee
t
Photon = `virtuell´ !
Kräfte: Austauschteilchen
mit Spin 1 (Bosonen)
Photon
= `virtuell´ !
The Standard Model of Particle Physics
matter: spin ½ - fermions
Leptons:
Quarks:
interactions: spin 1 – gauge bosons:
electroweak:
strong:
Photon g 0
Z-Boson Z 91 GeV
W-Boson W+ W- 80 GeV
Gluon g 0
many particles unstable
+ anti-particles
mass generation: spin 0 - boson: Higgs 125 GeV (?)
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• Overview: Particles and Interactions
• Methods: Accelerators and Detectors
• The Standard Model of Particle Physics
• Open Questions
• Particle physics in Aachen
universetoday.com
Methoden der experimentellen Teilchenphysik
Unschärferelation:
Neue schwere Teilchen (Masse m):
Ex /1Studium der Kräfte bei hohen Energien:
(Big Bang!)
HOHE
ENERGIE !
Werkzeuge:
• Teilchenbeschleuniger
• Teilchendetektoren
Teilc
he
np
hys
ik u
nd
Ko
smo
logi
e
Teilchenbeschleuniger
untersuchen Prozesse
s nach dem Urknall
(100 GeV)
1010
Materie- Antimaterie-
Asymmetrie ?
Dunkle Materie =
Neutralino ?
(Supersymmetrie)
Teilchenbeschleuniger
Prototyp: Braunsche Röhre
Energiezufuhr nur im
elektrischen Feld:
max 10 MV/m
Feld: statisch
oder Welle
Linear oder zirkular ?
+ Teilchen-Antiteilchen-Kollisionen
+ „Recycling“
- Hohe Synchrotronstrahlungsverluste (e)
Hohe Energien (100 GeV) erfordern große Beschleuniger (mehrere km) !
Kreisbeschleuniger („Collider“)
p p
Dipolmagnete
Energie wächst mit Größe des Beschleunigers !
p
p
p
pBeispiel:
Proton-Antiproton-Collider
Beschleunigungsstrecke
viele Protonen und
Antiprotonen laufen
gleichzeitig um
18
High energy accelerators
Tevatron
2000 GeV
2009 - 2030
1987- 2011
Fermilab CERN
pp
1992 - 2007
DESY
LHC
<=14000 GeV
pp
HERApe
300 GeV
1989 - 2000
LEP
200 GeV
ee
Teilc
he
n a
us
de
m U
niv
ers
umEntdeckungen neuer
Teilchen 1930-1960:
kosmische Strahlung!
Energien bis
GeV1110
2012:100 Jahre!
Spurdetektoren:
Geladene Teilchen werden
im Magnetfeld abgelenkt.
Ionisation des Gases. Elektronen bewegen
sich im elektrischen Feld zum Draht.
Ortsauflösung ~ 0.1 mm
Aus Krümmung folgt Impuls
Kalorimeter:
In Materie enstehen Sekundärteilchen, die
das Material anregen.
Das entstehende Licht wird nachgewiesen
und ist ein Maß für die Energie.
Energieauflösung ~ Prozent
Jeder
Tei
lch
ennac
hw
eis
via
ele
ktr
om
agn
etis
che
Wec
hse
lwir
kung
!Nobelpreis 1992
Charpak
Teilchendetektoren
CMS = Compact Muon Solenoid
Supraleitende
Magnetspule
Magneteisen
Silizium-Spurdetektor
Kalorimeter
Myonkammern
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• Overview: Particles and Interactions
• Methods: Accelerators and Detectors
• The Standard Model of Particle Physics
• Open Questions
• Particle physics in Aachen
universetoday.com
The Standard Model of Particle Physics
matter: spin ½ - fermions
Leptons:
Quarks:
interactions: spin 1 – gauge bosons:
electroweak:
strong:
Photon g 0
Z-Boson Z 91 GeV
W-Boson W+ W- 80 GeV
Gluon g 0
many particles unstable
+ anti-particles
mass generation: spin 0 - boson: Higgs 125 GeV (?)
The fundamental fermions
33
1995 Reines
1995 Perl
1990Friedmann ..
Nobel prizes:
1988Steinberger ..
1976Richter, Ting
2 eV
2 eV
2 eV
2002Davis, Koshiba
The fundamental interactions
34
Photon g 0
Z-Boson Z 91 GeV
W-Boson W+ W- 80 GeV
Gluon g 0
Nobel prizes:
1901 Röntgen
1921Einstein
2004Gross, Politzer, Wilczek
1979Glashow, Salam, Weinberg
1999t‘Hooft, Veltman
1984Rubbia, van
der Meer
Higgs (?) h 125 GeV
Elektromagnetische Wechselwirkung
Bindungszustand: H-Atom:
Erhaltungssätze: Ladung (immer), Teilchensorte (elm. WW)
erlaubt:
verboten:
Starke Wechselwirkung
Bindungszustand:
Erhaltungssätze: Quarksorte, Farbe
Zerfall:
Isolierte Quarks gibt es nicht!
Beobachtbar sind nur „farbneutrale“
Kombinationen
Meson
Baryon = q q q
Gluon =
Farbe+Antifarbe
Starke WW:
Nobelpreis 2004:
Gross, Politzer,
Wilczek
Schwache Wechselwirkung
Zerfälle:
W-Austausch: Teilchenart ist NICHT erhalten !
Kollisionsereignisse:
Keine Zerfälle
mit Z-
Austausch !
Spiegelsymmetrie P Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie C
verletzt!
Seit 1964: Experimente:
Auch CP ist (schwach) verletzt!
sKJB /0
sKJB /0
Symmetrieverletzungen (schwache WW)
verletzt! (1957)
aber: Kombination C P : ok! (linkshändiges T rechtshändiges A)
T A
Discovery of Top Quarks
42
Fermilab, 1995 CDF, D0
GeVpp 1800
GeVm 1173 (2012)
hep.
chic
ago.
edu
sym
metr
ymag
azin
e.o
rg
!1
~:m
rNote
Neutrino Oscillations
Super-
Kamiokande
M. Koshiba et al.
CerenkovN
atmosphere:
detection:
result:
Ap
deficit of due to
Nobel 2002
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• Overview: Particles and Interactions
• Methods: Accelerators and Detectors
• The Standard Model of Particle Physics
• Open Questions
• Particle physics in Aachen
universetoday.com
Supersymmetry motivation
48
• Fundamental symmetry (fermions-bosons)
• Higgs mass stabilization
• Grand Unification of Forces, include gravity
• Dark Matter candidateMinimal Supersymmetric
extension of Standard Model
Neutralino-WIMPs
49
Neutralino = LSP = is a good wimp candidate
Dark Matter could consist of Weakly Interacting Massive Particles
electrically neutralno colorquasi stablespin ½mass = O(100 GeV)Majorana type pair production early universe
annihilation in stars ?
weak interaction with matter
production in accelerators
properties
signatures
Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Kosmos
gleich viele Teilchen und Antiteilchen
fast nur noch Teilchen + Photonen
1) gleich viele T und A
2) Symmetrie wird „gebrochen“:
pro 1000000000 A gibt es
1000000001 T
3) 1000000000 Paare zerstrahlen in
Photonen, 1 T bleibt übrig
Kann die im Labor gefundene
kleine T-A-Asymmetrie dies
erklären ???
.... wahrscheinlich nicht....
???
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• Open Questions
• Particle physics in Aachen
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Experimental Particle Physics
RWTH Aachen University
Institutes: IB, IIIA, IIIB (experimental physics) and E (theory)
52
CMS
AMS, AUGER, IceCube
Double Chooz, K2K
Ultra high energy cosmic rays
energy = 10 millionen x LHC
water tanks
(cherenkov light)
fluorescence
telescopes
Argentina
50 km x 60 km = 3000 km2
origin
Auger observatory
24
x
1600 x
Recommended