1

Überblick (1)

Was sind Elementarteilchen ? Die ersten Teilchen

historischer Überblick Einige Formeln

Dirac-Gleichung Relativistische Kinematik gebräuchliche Einheiten in der Teilchenphysik

Das Standardmodell Detektoren Beschleuniger

2

Überblick (2)

experimentelle Bausteine des Standardmodells das magnetische Moment der Leptonen Teilchenphysik und Kosmologie fundamentale Symmetrien und deren Verletzung

Paritätsverletzung CP-Verletzung

weitere Teilchen charm: J/ψ beauty (bottom): Υ (“upsilon”) τ Eichbosonen der elektroschwachen Wechselwirkung: W und Z top

Neutrino-Oszillationen jenseits des Standardmodells

wie geht es weiter? Higgs - das fehlende Glied Supersymmetrie Gravitationswellen

3

1897

Das Elektrone-

ThomsonThomson

4

1897

Das Proton

e-

1900-1924

1914

RutherfordRutherford

p

5

6

7

1897

Das Photon

1900-1924

PlanckPlanck EinsteinEinstein

ComptonCompton

e-

p

8

1897

Das Neutron

e-

1900-1924

1914

np

1932

ChadwickChadwick

9

1897

Das Positron (Antimaterie)

e-

1900-1924

1914

e+

p

1932

n

1937

1947

Anderson Anderson

Dirac Dirac

10

11

12

1897

Das Myon

e-

1900-1924

1914

µp

1932

n

1937

• Hess• Anderson, Neddermeyer

e+

13

+

-e-

1V

1GeV = 1‘000‘000‘000 eV

Das Elektronenvolt (eV)

2mcÅ =

Einheiten

14

1897

Das Pion

e-

1900-1924

1914

p

1932

n

1937

µ

1947

Powell Powell Yukawa Yukawa

e+

15

1897

Das Neutrino

e-

1900-1924

1914

p

1932

n

1937

µ

1947

e+

Pauli Pauli Reines Reines

16

17

1897

Seltsame Teilchen

e-

1900-1924

1914

KKp

1932

n

1937

µ

1947

e+

Rochester,Butler,...

1947-...

18

1897

„I have heard it said that the finderof a new elementary particle usedto be rewarded by a Nobel Prize,but such a discovery now ought tobe punished by a $10,000 fine.“

e-

1900-1924

1914

K

p

1932

n

1937

µ

1947

e+

1947-...

Willis Lamb drückte in seinerNobelpreis-Ansprache1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus:

LambLamb

19

Lebensdauer (s)

n

c

KL

D

Kc

KS

0

B

J1s 2s

3s

4s

D*

c

0

Masse (GeV/c2)

Der Teilchenzoo

1s

1 ms

1 µs

10-15s

10-20s

10-25s

100000

n

KL

D

Kc

KS

0

B

J1s 2s

3s

4s

D*

c

0

E=1eV

e-

W±, Zo

p

1 ns

20

Fermionen (Spin ½)

Ladung

0

-1

+2/3

-1/3

d

uu

du

d

Leptonen Quarks

Das Standardmodell

+1 0 Proton Neutron

Baryonen

Wechselwirkungen

stark

schwach

Schwerkraft?

Schwache KraftW, Z

Elektromagn. Kraft

Starke Kraftg

Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)

e

e

u c t

d s b

21

d

u

s

c

b

t

e

e

Anti-Teilchen

Wechselwirkungenstark

schwach

e

Ladung

0

+1

-2/3

+1/3

Schwerkraft?

Schwache KraftW, Z

Elektromagn. Kraft

Starke Kraftge

d

u

s

c

b

t

Leptonen Quarks

Kräfteteilchen: Bosonen (Spin 1)

22

23

24

Experimentaufbau für tief-inelastische Elektron-Proton-Streuung(aus dem Nobelpreis-Vortrag von Robert Hofstadter, 1961)

25

Farbladung

(color)

Farbe Antifarbe

ROT TÜRKIS

BLAU GELB

GRÜN LILA

Quarks haben neben der elektrischen Ladung auch noch eine „Farbladung“. Das Kräfteteilchen wird Gluon genannt. Es ist für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich.

26

Quarks können nicht einzeln beobachtet werden (Quark-Confinement). Sie treten immer nur in Bindungszuständen auf:

Es gibt zwei Möglichkeiten Teilchen zu bilden:

• 3 Quarks mit jeweils verschiedenen Farben: Baryonen

• 2 Quarks mit jeweils einer Farbe und einer Antifarbe: Mesonen

Baryonen

q

qq q

q

d

u

Mesonen

q

q

27

Ereignis mit 3 Jets(Experiment Aleph, LEP-Collider, CERN, Genf

28

++

u

uu

u

d

d

us

c

d

D

s

u

b

b

d

uu

du

d

Proton Neutron

Mesonen

Baryonen

...

...

Atomkern

He-Kern(-Teilchen)

Atom

Materie

29

Robert Hofstadter (Nobelpreis-Vortrag 1961)

30

eeµµ

Zerfall

ee

26 ns 2200 ns

Streuprozesse-

e+e+

KKp

p

e-

e+e+

Was beobachten wir?

Zerfälle & Streuprozesse

KK

31

Detektoren

32

Arten der Wechselwirkung von Teilchen mit Materie

Ionisierung inelastische Streuung an Elektronen

elastische Streuung an Kernen Kernreaktionen

Cherenkov-Strahlung Bremsstrahlung

fast nur Elektronen und Positronen

bei Photonen: Photoeffekt Comptonstreuung Paarbildung

33

Detektortypen

1. photographische Emulsionen 2. Szinitillatoren 3. Ionisationsdetektoren

3.1 Gasdetektorer 3.2 Ionisationen in Flüssigkeiten 3.3 Halbleiterdetektoren

4. Nebel- und Blasenkammer 5. Cherenkov- und Übergangsstrahlungs-

Detektoren

34

35

Die Bethe-Bloch-Formel

36

Szintillatoren:einfachschnellheute noch im Einsatz

Lichtleiterstrukturen

Szintillator

37

Geiger-Müller-Zähler

Teilchen

Hochspannung

Verstärker

Erde

RHV >> RA

Eintrittsfenster

38

Positronin Nebelkammer

39

Blasenkammer:Vorherrschender Detektor zwischen 1960 und 1975Behälter mit Flüssigkeit im SiedeverzugReaktionsprozesse der Strahlteilchen mit Molekülen der Flüssigkeit Durch Ionisation Kondensationskeime für BläschenbildungFotografieren der sichtbaren Spuren

40

41Zerfall eines charm-Baryons (Σc

++)

42

43

Vieldraht-Proportionalkammer

44

Driftkammer

45

Zeitprojektionskammer

46

Das Flüssig-Krypton-Kalorimeter des Experiments NA48 (CERN)

(Elektrodenstruktur)

47

+ Vbias

Halbleiterdetektor

48

49

Barrel des CMS-Trackers

50

Cherenkov-Strahlung in einem Schwimmbad-Reaktor

51

Prinzip des Cherenkov-Effekts

52

Experiment NA48 am CERN(Messung der CP-Verletzung)als Beispiel eines Fixed-Target-Experiments

53

Fixed-Target-Experiment NA48 am CERN:Beobachtung eines Zerfalls in den verschiedenen Teilen des Detektors

54

CMS

55

CMS

Endcaps des KalorimetersEndcaps der Driftkammer

Stand Juni 2004

56

Cherenkov-Zähler

Spurkammer

MyonkammernVertexdetektor

supraleitendesSolenoid

Kalorimeter

Flugzeitzähler

3.5 GeV e+

8 GeV e -

57