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gerhard-rosenberg
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Fachbereich PhysikPhysik - Suche nach Gemeinsamkeiten
Das Komplexe
Das Kleine Das Große
K.H. Meier
4
Fachbereich PhysikAlle Teilchen des Standardmodells
K.H. Meier
wirklich alle?
wichtige Symmetrie:zu jedem Teilchen gibt esAntiteilchen
stabil
5
Fachbereich PhysikDie 4 Kräfte - was die Welt im Innersten zusammenhält
fallende Äpfel,PlanetenbahnenStärke: 10-39
Reichweite: ∞Graviton
Fernsehen, Magnetechemische BindungSärke: 1/137Reichweite: ∞Photon
Kernstabilität,QuarkeinschlussStärke: 1Reichweite: 10-15 mGluon
Kernstabilität,-Zerfall, NeutrinosStärke: 10-5
Reichweite: 10-18 mW,Z-Bosonen
Unsere Welt
Die Welt der Kerne
Gravitation
Elektromagnetismus
starkeKraft schwache
Kraft
10
Fachbereich PhysikAnsichten bei 10-8 m
mit speziellen “Lichtquellen” kann man Moleküle sichtbar machen
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Fachbereich PhysikAnsichten bei 10-14 m
im Inneren bestehen die Atome aus den Atomkernen, die beinahe die gesamte Masse in Form von Neutronen und Protonen tragen
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Fachbereich PhysikAnsichten bei 10-15 m
Neutronen und Protonen bestehen ihrerseits aus Quarks die von Gluonen zusammengehalten werden.Quarks sind wahrscheinlich punktförmig und NIE allein.
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Fachbereich PhysikStark gebundene Materie
Alle stark gebundenen Objekte sind nach außen farbneutral.
Sind also entweder Baryonenaus 3 Quarks
oder
Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark.
u u
d
Confinement: Quarks kommen in der Natur nicht frei vor.
u d
Pion +
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Fachbereich Physik
jpw, Physikertagung 10.9.09
Was heißt schon Sehen?
16
Fachbereich Physik
Hochschultag 2008
Sehen
Sehen mit denAugen überLichtstreuung
“Sehen” kleinerer Strukturen über Teilchenstreuung
= 400-700 nm
= h/p
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Fachbereich PhysikBeschleuniger - das Prinzip
Ladung wird im elektrischen Feld beschleuingt: E = q•U
Für den LHC würde man 2 mal 7000 Milliarden Batterien benötigen
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Fachbereich PhysikCockcroft Waltonhttp://www.isis.rl.ac.uk/accelerator
1928: Tunneleffekt
1932: Erste Kernre-aktion
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Fachbereich PhysikWiderøe – Driftröhrenbeschleuniger
http://de.wikipedia.org/wiki/Linearbeschleuniger
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Fachbereich PhysikZyklotron
Das erste Zyklotron(1929, Ernest Lawrence):Durchmesser: 9 cm,Protonenergie: 80 keVKosten: etwa 100 $
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Fachbereich PhysikZyklotrons von der Stange
Anwendungen: Erzeugung von Radioisotopen z.B. für PET
Alice
Large Hadron Collider LHC am CERN
LHC 7000 GeV c – 10 km/h
Tevatron 980 GeV c – 495 km/hRHIC 250 GeV c – 7602 km/hGeiger / Marsden 4 MeV 5% c
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Fachbereich PhysikDer LHC und seine Magnete
Größter “Kühlschrank” der Welt(1.8 K, 700.000 l suprafluides Helium) 27 km mit 1296 Dipolmagneten (8T)100 m unter der Erde
Proton-Proton Kollisionen beiE = 7000 + 7000 GeV800 Millionen/Sekunde
Gold-Gold Kollisionen beiE= 5500 + 5500 GeV10 Tausend/Sekunde
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Fachbereich PhysikDer Large Hadron Collider (LHC)
http://natronics.github.io/science-hack-day-2014/lhc-map/
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Fachbereich Physik
jpw, Physikertagung 10.9.09
Blasenkammer
Erster Detektor, mit dem sich gezielt komplizierte Vorgänge sichtbar machen lassen.
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Fachbereich PhysikPrinzip der Impulsmessung
Impuls = Masse * Geschwindigkeit
Ablenkung senkrecht zum Magnetfeld (Lorentzkraft)
Stärke der Krümmung > Impuls
Richtung der Krümmung > Ladung
Rückführung der Impulsmessung
auf eine Ortsmessung Häufig Detektoren im
Magnetfeld (nicht notwendig)
Teilchenidentifikation durchWechselwirkung von Strahlung mit Materie
Art der Strahlung g-Strahlung Elektronen Geladene
Teilchen Neutrale Teilchen
Wechselwirkung
- Niedrige Energien -
Foto-, Comptoneffekt, Paarbildung
Ionisation, Bremsstrahlung Ionisation Kernwechsel-
wirkung
Wirkung der Materie
Schwächung der Intensität
Verringerung der Energie
Verringerung der Energie
Absorption und Bremsung durch elas-tische Stöße
Wirkung der Materie
- Hohe Energien -
Paarbildung, Bremsstrahlung→ Elektromagnetische Schauer
Teilchenerzeugung (p-Mesonen)→ Hadronische Schauer
Ziel: Bestimmung des 4er-Impulses (E,p)
38
Fachbereich Physik
Bethe-Bloch-Formel: Energieverlust geladener Teilchen in Materie
2 2 22 2max
2 2
21 1 ln2 2
em c TdE ZK z
dx A I g
p
g
2 2 1 2
2
4 0,307 MeVg cm: Masse des Elektrons
: klassischer Elektronenradius = 2,82 fm:Avogadro-Zahl
: Geschwindigkeit des Teilchens ( =1/ 1- ): Ladung des einfallenden Teilchens
Z: Ladungszahl
A e e
e
e
A
K N r m cmrN
z
g
g
max
2 2 2
max 2
des MediumsA: Massenzahl des MediumsT : Maximale in einem Stoß auf ein Elektron übertragbare Energie
2 :Masse des einfallenden Teilchens
1 2
: Mittlere Anregungsenergie des
e
e e
m cT m
m mm m
I
0,9Mediums, 16 eV: Dichte-Korrektur (transversale Ausdehnung des e.m. Feldes)
I Z
x in g/cm2
Teilchenidentifikation durchWechselwirkung von Strahlung mit Materie
Art der Strahlung g-Strahlung Elektronen Geladene
Teilchen Neutrale Teilchen
Wechselwirkung
- Niedrige Energien -
Foto-, Comptoneffekt, Paarbildung
Ionisation, Bremsstrahlung Ionisation Kernwechsel-
wirkung
Wirkung der Materie
Schwächung der Intensität
Verringerung der Energie
Verringerung der Energie
Absorption und Bremsung durch elas-tische Stöße
Wirkung der Materie
- Hohe Energien -
Paarbildung, Bremsstrahlung→ Elektromagnetische Schauer
Teilchenerzeugung (p-Mesonen)→ Hadronische Schauer
Ziel: Bestimmung des 4er-Impulses (E,p)
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Fachbereich PhysikWechselwirkung von Photonen mit Materie (I)
Fotoeffekt Comptoneffekt Paarbildung
Absorption eines Photons Streuung eines Photons am quasi-freien Elektron
Erzeugung eines Elektron-Positron-Paares in Gegenwart eines Stoßpartners
Abhängigkeit des Wirkungsquerschnitts von der Photonenenergie und von der Kernladungszahl Z
Dominiert bei niedrigen Energien Trägt bei allen Energien bei Dominiert bei hohen Energien
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Fachbereich PhysikWechselwirkung von Photonen mit Materie (II)
Wichtige Prozesse: Foto-Effekt Compton-Effekt Paarbildung
Mittlere freie Weglänge Paar fürPaarbildung:
(Ähnlichkeit zur Elektron-Bremsstrahlung)
Wird nur Paarbildung betrachtet:
Also: Paarbildungswahrscheinlichkeit p innerhalb einer Strahlungslänge ist p = 1-exp(-7/9) = 54%
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Fachbereich PhysikKalorimeter
Homogene Kalorimeter Szintillierende Kristalle
NaJ(Tl) BGO
Cerenkov-Detektoren Bleiglas
Sandwich-Kalorimeter Abwechselnde Schichten
aus Absorbermaterial (→hohes Z, z.B. Blei) und Szintillatoren
Bleiglas-Modul
Absorber
Szintillator
Wellenlängen-schieber
Sandwich-Kalorimeter
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Fachbereich Physik
Beispiel eines komplexen Detektorsystemsin der Teilchenphysik: CMS
Typischer Aufbau (von innen nach außen):Spurdetektoren elektromagn. Kalorimeter hadronisches Kalorimeter m-Detektoren
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Fachbereich PhysikInvariante Masse
Euklidischer (3er) Vektor
Aus Energie und Impulsmessung lässt sich die Teilchenmasse rekonstruieren.
4er-Vektor
z.B. Ort und Impuls z.B. Energie-Impuls
Betrags-Quadrat Betrags-Quadrat
Invariant unter Transformation(Drehung und Translation)
Invariant bei Wechseldes Bezugssystems.