Auf der Suche nach den kleinsten Bausteinen

• Erkennen von kleinsten Strukturen• Beschleuniger und Detektoren• Die kleinsten Bausteine• Fundamentale Kräfte und Ladungen• Zusammenhang mit Kosmologie

Herbstakademie, 8.10.2001Michael Kobel

Höhenstrahlung• Reaktionsprodukte (primärer)

kosmischer Strahlung• Erdoberfläche:

Einige 100 Teilchen pro Quadratmeter in jeder Sekunde

• Meist Myonen ()

• Was sind eigentlich Myonen ?

• Bestehen sie aus anderen Teilchen ?

• Was wird aus Ihnen ?• Kommen sie in Materie

vor?• Was sind überhaupt die

kleinsten Bausteine der Materie?

Griechische Philosophie• Elemente und Kräfte: 500-430 v.Chr.

Empedokles– Vier Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft– Zwei Urkräfte: Liebe , Haß Mischung , Trennung

• Symmetrien: 427-347 v.Chr. Platon– Symmetrische Körper: Schönheit der Gesetze

• Kleinste Bausteine: 460-371 v.Chr. Demokrit– Atome: verschiedene Formen und Gewichte– Leere: Verbindung und Bewegung im Nichts

Besser als Philosophieren: Experimentieren

• bloßes Auge: ~ 1mm

Immer noch keine Bausteine sichtbar

Wie groß sind die eigentlich ?

• Auge plus Lupe: ~1/10 mm10 fach vergrößert

• Auge und Mikroskop: ~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer)1000 fach vergrößert

Messung der Größe eines Ölsäure Moleküls• Löse 0.6ml Ölsäure in 1l

Alkohol 0.06%ige Lösung

• Verteile 1 Tropfen (ca 0.02 ml) auf Wasseroberfläche

Volumen der Ölsäure:1.2 * 10-11 m3 = (0,23 mm)3

monomolekulare Schicht• Molekülgröße =

Volumen / Oberfläche Anzahl der Moleküle:

~ 1016 = 10.000.000.000.000.000

• In einer Kette aufgereiht:~ Erde – Mond (380 000 km)C18H34O2

• Was heisst überhaupt „sehen“ ?• Sehen = Abbilden

Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor)

Wie kann man 0.001 µm „sehen“?

• Wichtig: „Auflösungsvermögen“ : Fähigkeit, Strukturen einer bestimmten Größe zu erkennen• Dazu nötig:1. Größe der Projektile << Größe

der Strukturen2. Treffgenauigkeit << Größe der

Strukturen

Unbekanntes Objekt in einer Höhle• Projektil: Basketbälle

• Projektil: Tennisbälle

• Projektil: Murmeln

...Nichts wie weg !

Einschub: nützliche Einheiten für Teilchen• Größe:

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

• Energie:1 ElektronVolt = 1eV

1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 1.000.000 eV1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 1.000.000.000 eV

• 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig:könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen

Treffgenauigkeit• Quantenmechanische Eigenschaft eines Teilchens• Hat *keine* Entsprechung in unserer Erfahrungswelt

(Notbehelf: Wellenbild, *sehr* irreführend)• Grundregel (für hochenergetische Teilchen):

Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV)zum Beispiel:0,2 fm bei 1 GeV = 1000 MeV200 fm bei 1 MeV = 1000 keV 0,00001 µm = 10.000 fm bei 20 keV 0,1 µm bei 2 eV 0,2 µm bei 1 eV

>0,15µm

Mögliche Projektile für Strukturen < 0.001 µm• Sichtbare Lichtteilchen (!) (!) (Photonen bei 0.25-0.5

eV) Punktförmig (< 0.001 fm)Treffgenauigkeit: 0.8 µm – 0.4 µm („Wellenlänge“)

• Röntgenstrahlen (Photonen bei 20 keV) Punktförmig (< 0.001 fm)Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius)Abbildung schwierig, da nicht fokussierbar

• Elektronen bei 20 keVPunktförmig (< 0.001 fm)Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius (!) (!) )

• Protonen bei 2 GeV Größe: 1 fmTreffgenauigkeit: 0.1 fm (~ 1/10 Protonradius)

• ...

Die Struktur des Atoms• Beschuss mit Heliumkernen

Größe: 1.5 fm, Treffgenauigkeit: 1 fm• 1911 Rutherford: auf Goldfolie

Atomdurchmesser: 100.000 fmHarter Kern: 5 fm(Kern : Atom) wie (Kirsche : Fußballfeld)

• 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff Beobachtung einzelner Protonen

• 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium Beobachtung einzelner Neutronen• kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen• umgeben von riesiger Elektronenhülle

Protonen und Neutronen sind nicht elementar!• Indirekte Hinweise: z.B. Ordnungsschema (60er Jahre)

• Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen Quarks1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg

• Nötige Treffgenauigkeit: << 1 fm Energie >> 0,2 GeV

• Resultat: 1 fm

Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger

• Haben Sie auch daheim!

• Funktionsprinzip:Simulation

• Linearbeschleuniger: • Fermilab, Chicago (in

Betrieb)• DESY, Hamburg (in

Planung)

Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren

Elektronische Bilder

CERN, Genf, bis 2000

170 Universitäten undInstitute aus 35 Ländern

Größenvergleich

Ab 2006: ATLAS Experiment, CERN

Teilchenidentifikation = Detektivarbeit

• Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

• Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

Direkter Nachweis von Quarks im Proton• e-p Kollisionen bei HERA am DESY

30 GeV e ¯ p 800 GeV

Zusammenfassung Bausteine

• Fundamentale Bausteine der Materie:– Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d– Alle punktförmig ( < 0.001 fm)

• Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen?

• Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?

• Wechselwirkung: – Kraftwirkung zwischen Teilchen– Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und

Produktion

• 4 fundamentale Wechselwirkungen

– Gravitation (Schwerkraft)

– Elektromagnetismus

– Schwache Wechselwirkung

– Starke Wechselwirkung

Konzept der Wechselwirkungen

N

S

q q pp

nn

nnp

pppp

n

n np

pnpnp

Prinzip von Kraftwirkungen• Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung• Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren

Wechselwirkung• Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen

Abstoßend Anziehend

Was ist eigentlich eine Ladung?• Eine Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens• Ladungen sind Additiv:

Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B)• Ladungen kommen nur in Vielfachen einer

kleinsten Ladungsmenge vor• Ladung ist erhalten,

d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren

Mehr wissen wir (noch) nicht

Die elektromagnetische Kraft• Ladung: elektrische Ladung Q• Arten: 1 Ladungsart: „Zahl“, positiv oder negativ• Botenteilchen: Photon• Eigenschaften: elektrisch neutral: Q=0

masselos : m=0• Teilchen Up Down Neutrino Elektron

Ladung +2/3 -1/3 O -1• Besonderheiten:

– Unendliche Reichweite– Makroskopisch beobachtbar (Versuch)– Magnetfelder lenken elektrisch geladene

Teilchen ab,umso weniger je höher deren Energie ist (Versuch)

Die starke Kraft

• Ladung: starke Ladung • Arten: 3 Ladungsarten: „Farbe“,

plus jeweilige Antifarbe• Botenteilchen: 8 Gluonen• Eigenschaften: tragen selber je 1 Farbe und

Antifarbe masselos : m=0

• Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung r, b, g r, b, g - -

• Besonderheiten:– Endliche Reichweite ca 1 fm– Hält p, n und Atomkern zusammen– Makroskopisch nicht beobachtbar,

außer radioaktiver Zerfall Heliumkerne (Versuch)

Die schwache Kraft• Ladung: schwache Ladung (I1, I2, I3)• Arten: 1 Ladungsart: „Zahlentriplett“• Botenteilchen: W-, Z0, W+ • Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I3

= -1, 0, 1 Masse : m = 80 – 90 GeV

• Teilchen Up Down Neutrino Elektron I3 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2

• Besonderheiten:– Endliche Reichweite ca 0.0025 fm– Makroskopisch nicht beobachtbar, außer

• Brennen der Sonne• Radioaktiver Zerfall des Neutrons• Analog: Zerfall des Myons µ e

Das Neutrino „Geisterteilchen“

• Postuliert 1931, elektr. neutraler Partner des Elektrons

• Extrem kleine Masse (< 1 / 1.000.000.000 Elektronmasse)

• Sehr schwache Wechselwirkung(kann ohne Wechselwirkung die Erde durchfliegen)

• Nachweis 1956: von 1012 Reaktorneutrinos pro Sekunde und mm2

nachgewiesen in 10 Kubikmeter Wasser : 3 pro Stunde

• 400 Neutrinos / Kubikzentimeter überall im Universum

Antimaterie• Zu jedem Bausteinteilchen existiert

ein Antiteilchenmit umgekehrten Ladungsvorzeichen

• Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich

• Aus Botenteilchen können paarweiseMaterie- und Antimaterieteilchen entstehen

• Umgekehrt können Sich diese wieder zu Botenteilchen (Energie) vernichten

Teilchen-Antiteilchen Vernichtung bei CERN

Zusammenfassung „Kräfte“• Die unterschiedlichen Ladungen

bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen

• Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren

• Sowie die Bildung vonTeilchenjets aus Quarks

Das vollständige Set der Bausteinteilchen

• Das 4er Set der „1.Baustein-Generation“ wiederholt sich genau 2 Mal

• Niemand weiss warum

Zusammenhang Teilchenphysik - Kosmologie

heißes Universum

alle Teilchen haben hoheEnergie (Temperatur)und kollidieren unkontrolliert

gezielte, kontrollierteeinzelne Kollisionenund deren Aufzeichnung

Teilchenkollision bei hohen Energien

Alter Temperatur Energie Größe

10-43 s 1032 K 1019 GeV Nadelspitze10-36 s 1028 K 1015 GeV Tennisball

10-24 s 1022 K 109 GeV 50 km

10-14 s 1017 K 10000 GeV wie Sonne

10-10 s 1015 K 100 GeV10-6 s 1013 K 1 GeV wie Sonnen

-system1s 1010 K 0.001 GeV 1 Lichtjahr

1 min 109 K 0.0001 GeV 50 Lichtjahre

1 Jahr 106 K 0.0000001 GeV wie Milch-straße

100.000 Jahre 10.000 K 1 eV 1 MillionLichtjahre

heute 3 K 10-4 eV 10 MilliardenLichtjahre

Rückblick zum Urknall

durchExperimentegesichert

im Bereich von Theorien

Schlussübersicht