DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINEN DER …

Physik am Samstag 17. 6. 2006

Thomas MüllerInstitut für Experimentelle Kernphysik

Die Suche nach den fundamentalen Bausteinen der Natur

DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINENDER NATUR

"Die Natur liebt sich zu verbergen" Heraklit, 500 v. Chr.

ZWEI FUNDAMENTALE FRAGEN :

WIE IST DAS UNIVERSUM ENTSTANDEN ?

WORAUS BESTEHT DIE MATERIE MIT IHREN KRÄFTEN ?

BEIDE FRAGEN SIND MITEINANDER VERKNÜPFT :

VERSTÄNDNIS VON DER STRUKTUR DER MATERIE UND IHRER KRÄFTE

<==> BESSERES WISSEN ÜBER IHREN URSPRUNG

FÜR DIE SUCHE NACH DIESEM VERSTÄNDNIS :

SCHAFFE ZUSTÄNDE WIE IN DEN ERSTEN ANFÄNGEN DES UNIVERSUMS




VOM UNIVERSUM ZUM QUARK

1026 m 107 m 101 m

10-4 m 10-15 m10-8 m




I. ZUR ENTSTEHUNG DES UNIVERSUMS

DIES BERUHT AUF DREI BEOBACHTUNGEN:

DAS UNIVERSUM IST VOR CA 13 MILLIARDEN JAHREN IN EINEM URKNALL ENTSTANDEN ("BIG BANG")




ELEMENTHÄUFIGKEIT IM UNIVERSUM

1. BEOBACHTUNG:

PRIMORDIALE HÄUFIGKEIT DER ELEMENTE 75% H, 24% He, <1% Li, ...ELEMENTSYNTHESE IN DEN ERSTEN DREI MINUTEN

Messung der Zusammensetzung mit Spektralanalyse




ROTVERSCHIEBUNG FERNER GALAXIEN

2. BEOBACHTUNG:

DIE GALAXIEN ENTFERNEN SICH VON EINANDER (Hubble 1930)

JE GRÖSSER DIE ENTFERNUNG DESTO SCHNELLER

Kalzium

Hubble




HORNANTENNE DER BELL TELEPHONE LABORATORIES

3. BEOBACHTUNG:

KOSMISCHE HINTERGRUNDSTRAHLUNG (Penzias, Wilson 1956)2.7 K TEMPERATURSTRAHLUNG LICHTBLITZ DES URKNALLS

Körper mit Temperatur T [K] strahlen mit Frequenzverteilung ν




DIE ABKÜHLUNG DES UNIVERSUMS

Teilchenbeschleuniger

Radius 10-3m 1011m 1013m







II. DIE FUNDAMENTALEN TEILCHEN

UNSER HEUTIGES VERSTÄNDNIS VON DER NATUR IST VON GRIECHISCHEN PHILOSOPHEN GEPRÄGT:

"Denn weder gibt es beim Kleinen ja ein Kleinstes, sondern stets ein noch Kleineres (denn es ist unmöglich, daß das Seiende zu sein aufhöre) - aberauch beim Großen gibt es immer ein Größeres."

Anaxagoras, 500-425 v. Chr.

"Der gebräuchlichen Redeweise nach gibt es Farbe, Süßes, Bitteres, in Wahrheit aber nur die Atome und das Leere."(ατοµοσ = unteilbar)

Démokrit, 460-370 v. Chr.




DIE SUCHE NACH DEN KLEINSTEN STRUKTUREN DER MATERIE

Dalton 1803-1808Lehre von den Atomen als Grundbausteinen der Stoffe

Meyer/Mendelejev 1869-1871Periodensystem der Elemente107 Chemische Verbindungen 112 Atome

Rutherford (1871-1937)Atome: kompakter Kern mit Elektronenhülle

Bothe, Chadwick, Joliot (um 1932)Neutronen und Protonen im Kern112 Atome 3 Bausteine

Gell-Mann, Zweig (1964)Protonen, Neutronen, andere HadronenBestehen aus Quarks>100 Elementarteilchen 6 Quarks




UNTERSUCHUNG KLEINER STRUKTUREN MIT STREUUNG

Winkelverteilung der Projektile nach der Streuung:HINWEIS AUF INNERE STRUKTUREN




DAS EXPERIMENT VON GEIGER UND RUTHERFORD

STREUUNG VON ALPHA-TEILCHEN AN EINER GOLDFOLIE

BEOBACHTUNG:•ZUWEILEN WERDEN TEILCHEN STARK ABGELENKT•WINKELVERTEILUNG UNABHÄNGIG VON DER ENERGIE

ERKENNTNIS:•ATOME BESTEHEN AUS WINZIGEM GELADENEN KERN UND ELEKTRONENHÜLLE

α-Quelle

Leuchtschirm

Mikroskop




PRINZIP EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS

Beschleunigungsspannung U = 1Volt ⇒ kinetische Energie = 1eVBeschleunigungsspannung U = 1000Volt ⇒ kinetische Energie = 1keV

MODERNE ANFORDERUNGEN: 1012eV = 1 TeV

DIE BRAUNSCHE RÖHRE - +

U




SCHEMA EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS




INTERNATIONALE BESCHLEUNIGERLABORS

Karlsruher Beteiligung




DAS EXPERIMENT VON FRIEDMANN, KENDALL; TAYLOR....(1962)

STREUUNG VON HOCHENERGETISCHEN ELEKTRONEN AN WASSERSTOFF IN STANFORD (SLAC)

BEOBACHTUNG:•ZUWEILEN WERDEN ELEKTRONEN STARK ABGELENKT•WINKELVERTEILUNG UNABHÄNGIG VON DER ENERGIE

ERKENNTNIS: •STREUUNG AN PUNKTFÖRMIGEN QUARKS•PROTONEN BESTEHEN AUS 3 QUARKS: uud

17 GeV Elektronen




ELEKTRON-PROTON-ZUSAMMENSTÖßE AM HERA-BESCHLEUNIGER IN DESY, HAMBURG

HERA: STREUUNG VON 30 GeV ELEKTRONEN AN 900 GeV PROTONEN




ERKENNTNISSE VON HERA

u u

d

Valenzquarks

2 fm

ERKENNTNIS: •STREUUNG AN PUNKTFÖRMIGEN QUARKS, R < 10-18 m•GENAUE STRUKTUR DES PROTONS




DIE SICHTBARE WELT BESTEHT AUS QUARKS UND LEPTONEN DER ERSTEN GENERATION: u, d, e-, ν

IN DEN ERSTEN SEKUNDEN DES UNIVERSUMS GAB ES ABER NOCH WEITERE OBJEKTE, DIE LÄNGST ZERFALLEN SIND

DIESE KÖNNEN AN TEILCHENBESCHLEUNIGERN IN KLEINEN "URKNALLEN" AUS ENERGIE ERZEUGT WERDEN

ANWENDUNG: E = mc2 (Albert Einstein)

BAUSTEINE DER SICHTBAREN MATERIE

t

t




III. DIE FUNDAMENTALEN KRÄFTE

GRAVITATION:

NEWTON (1642-1727): GRAVITATIONSGESETZ

ELEKTRIZITÄT, MAGNETISMUS:

MAXWELL (1831-1879): VEREINIGUNG ELEKTROSTATIKUND MAGNETISMUS

HEINRICH HERTZ (1857-94): ENTDECKUNG DER ELEKTRO-MAGNETISCHEN WELLEN IN KARLSRUHE




DIE EXPERIMENTE VON HEINRICH HERTZ

ENTDECKUNG DER "ELEKTRODYNAMISCHEN" WELLE

ERKENNTNIS: • DIE ELEKTRISCHEN UND MAGNETISCHE KRÄFTE WERDEN DURCH

ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN ÜBERTRAGEN (PHOTONEN)




KRÄFTE ALS URSACHE ALLEN GESCHEHENS

ALLGEMEIN:

• KRÄFTE ENTSTEHEN DURCH AUSTAUSCH VON BOSONEN

• SCHEMATISCHE BESCHREIBUNG DURCH FEYNMANDIAGRAMME




DIE FUNDAMENTALEN NATURKRÄFTE

Gravitation Stärke : 10-38

Anziehung von Massen Reichweite: unendlich

Schwache Wechselwirkung Stärke : 1/100000Bewirkt den radioaktiven Zerfall Reichweite: sehr klein!

Elektromagnetische Wechselwirkung Stärke : 1/100Gleiche Ladungen stossen sich ab, Reichweite: unendlichungleiche ziehen sich anStarke Wechselwirkung Stärke : 1 Anziehende Kraft zwischen den Quarks Reichweite: ~10-15m




UNSER HEUTIGES WISSEN: DAS STANDARDMODELL

Sheldon Glashow

AbdusSalam

!

Higgs-Boson: verantwortlich für die Massen von Bosonen und Fermionen ?

Vortrag Prof. Drexlin

Vortrag Prof. Zeppenfeld




IV. DIE SUCHE NACH DEM SCHWERSTEN TEILCHEN

FERMILAB TEVATRON COLLIDER

• z.Z. höchste Energien der Welt• Pro Sekunde 10000000 Kollisionen• 1 Top-Ereignis nur in 1010 Kollisionen !

BILD EINES KOLLISIONS-EREIGNISSES




NACHWEIS VON TOP-QUARKS

NACHWEIS ANHAND DERZERFALLSPRODUKTE

DER CDF-DETEKTOR




e+ e-

Spurdetektor

Magnetspule

Hadronkalorimeter

Elektronkalorimeter

Myonkammern

Photon

Elektron

Quark Jet

Myon (hohe Energie)

(mittlere Ene.)

(kleine Energie)

FUNKTION EINES TEILCHENDETEKTORS




DIE CDF-KOLLABORATION 1993




DAS CDF TOP-QUARKSIGNAL (1995)

TOP-ANTITOP-EREIGNIS

TOP-QUARK-SIGNAL







DIE MASSEN DER QUARKS




SIND QUARKS FUNDAMENTALE TEILCHEN?

ERKENNTNIS: Λ > 1600 GeV R < 10-19 m

WIEDERHOLUNG DES RUTHERFORD-EXPERIMENTES

p p

Suche nach




GRÖßENVERHÄLTNISSE

PROTONEN SIND 100000x KLEINER ALS ATOME (1911)

Atomkern : Atomhülle

= Knopf : Innenstadt

QUARKS, LEPTONEN SIND MIND. 10000x KLEINER ALS PROTONEN (1998)

Quark : Atomhülle

< Knopf : Erde




V. ZUSAMMENFASSUNG

UNSER HEUTIGES WELTBILD KENNT

12 FUNDAMENTALE MATERIETEILCHEN: QUARKS UND LEPTONEN

4 FUNDAMENTALE KRÄFTE

Die Teilchen sind höchstens 10-19 m groß. Ob sie zusammengesetzt sind, ist nicht bekannt.

OFFENE FRAGEN:

WIE BEKOMMEN TEILCHEN IHRE MASSE ?

WIESO GIBT ES NUR MATERIE IM HEUTIGEN UNIVERSUM ?

WIE ERKLÄRT SICH DIE VIELFALT DER TEILCHEN UND KRÄFTE ?UND......




ÜBERRASCHUNG IM UNIVERSUM: DIE DUNKLE MATERIE

Kepler

DUNKLE MATERIE




Symmetrie zwischenFermionen ↔ Bosonen

(Materie) (Kraftteilchen)

DUNKLE MATERIE: SUPERSYMMETRISCHE TEILCHEN?

Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !Karlsruhe:Supersymmetrische Feldtheorie: J. WessSUSY Phänomenologie: W. de Boer, …




DER LARGE HADRON COLLIDER

LHC:

Proton-Proton-Kollisionen bei 14 TeVSchwerpunktsenergieUmfang 27 km




DAS CMS-EXPERIMENT

EISENJOCH DES 4 TESLA-MAGNETEN

Hergestellt in der Werft Deggendorf

Gewicht: 12000 t




DAS CMS-EXPERIMENT

EISENJOCH DES 4 TESLA-MAGNETEN

Hergestellt in der Werft Deggendorf

Gewicht: 12000 t

215 m2 Siliziumstreifendetektoren mit 10 Mio elektronischen Kanälen




Bonding Maschine

3 D-Meßmaschine

Probestation

LOGISTIK BEIM BAU DES CMS-SPURDETEKTORS

Großmodul

10 cm




BAU VON PETALS IM REINRAUM AM FZK




SIMULATIONSSTUDIE ZUM NACHWEIS EINES HIGGSBOSONS

SIMULATION EINES HIGGS-BOSON-EREIGNISSES AM CMS-DETEKTOR

ERWARTETES SIGNAL AM LHC

Der Prozeß

Schnelle Simulation

Simulation einesEreignisses




AUSBLICK

DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINEN DER NATUR IST PHILOSOPHISCHES ANLIEGEN SEIT MENSCHENGEDENKEN

WIE WIR DIE FRÜHEREN KULTUREN BEURTEILEN, WERDEN AUCH WIR SPÄTER AN UNSEREN ERKENNTNISSEN GEMESSEN WERDEN

UNSERE FORSCHUNG IST VERKNÜPFT MIT DER AUSBILDUNG UND DER SUCHE NACH ANWENDUNGEN IM TÄGLICHEN LEBEN

Diese Forschung wird in Karlsruhe großzügig gefördert von Universität, FZK, Land, DFG, BMBFKarikaturen übernommen von MinDir. HF Wagner, BMBF….







CENTRUM FÜR ELEMENTARTEILCHENPHYSIK UND ASTROTEILCHENPHYSIK

CDF CMS

THEORIEAMSGRID

CETA




BESTRAHLUNG VON TUMOREN




PET-AUFNAHME




MODERNE DETEKTOREN FÜR RÖNTGENAUFNAHMEN

Pixel-Detektoren aus der Teilchenphysikkönnten in der Zukunft für Röntgenaufnahmenverwendet werden.

Strahlenbelastung reduziert um Faktor 10.




DAS INTERNET




DATENMENGEN AM LHC

40 MHz ; 109 Ereignisse/s = 1 PetaByte/s = 150 x 106 Sensoren

Online-DatenreduktionDatenspeicherung

100 Hz ~~1 PetaByte/Jahr

LÖSUNG: DAS GRID




ANWENDUNGEN DES FREIE ELEKTRONEN LASERS

Röntgen-FEL: 0.1 nm Laser

- Filme von chemischen Reaktionen.

- Strukturuntersuchung mit atomarer

Auflösung.

Diffraktion an einzelnen Molekülen

Eiweißmolekül




ENTDECKUNGEN IN DER TEILCHENPHYSIK

HiggsSUSYNeue StrukturenÜberraschungen

mν Bs-Osz.CP-Verletzung

"Ohne Zweifel wird es noch lange dauern, bis Teilchenphysiker ohne Arbeit sein werden."(M. Gell-Mann, 1957)




EINE KARLSRUHER DIPLOMANDIN

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