Wozu Teilchenphysik? Klrung der Grundfragen der Physik Welche
elementaren Teilchen gibt es ? Welche Krfte gibt es ? Wie entstand
unser Universums ? Gibt es eine Weltformel ? 4
Folie 5
Von gro nach klein Auge Auflsung bis ca. 1mm Lichtmikroskop
Auflsung bis ca. 1m = 0,001mm . und weiter ? 5
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Wie sehen wir Strukturen? Sehen = Abbilden ! Wir sehen nur ein
Abbild des Objekts Photonen tasten Oberflche des Objekts ab
Genauigkeit des Abbilds ist begrenzt durch Eigenschaften der
Lichtquelle und des Detektors Lichtquelle Detektor Objekt 6
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Auflsung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten
Keine Auflsung der Punkte/Lcke falls Photonen > Struktur 7 1.
2.3. Detektor
Folie 8
Auflsung von Strukturen Ziel: Unterscheidung von zwei Punkten
Kleine Strukturen kleine Photonen Gre der Lichtteilchen gegeben
durch Wellenlnge Sichtbares Licht: = 400 800 nm Auflsung fr Auge
somit stark begrenzt! 8 1. 2.3. Detektor
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Neue Wege zur Untersuchung Benutze anderes Teilchen als Photon
Quantenphysik sagt uns: h Planckkonstante p Impuls des Teilchens:
p=m v Folgerung: Teilchen mit hohem Impuls haben kleine Wellenlnge:
Nutze schnelle Elektronen statt Photonen Elektronenmikroskop 9
Folie 10
10 Virus Silizium- kristalle
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Streuversuche 11
Folie 12
Entdeckung der Atomstruktur Rutherford Streuexperiment (1910)
12 + Elektron + Atomkern
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Entdeckung der Quarks Beschuss von Protonen mit schnellen
Elektronen Streuung der Elektronen an Quarks 13 Detektor
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Grundlagen 1803: Elemente bestehen aus unteilbaren Einheiten
(Atomen) 1897: Entdeckung des Elektrons 1910: Atome haben Kern und
Schale 1935: Kern besteht aus Protonen & Neutronen 1960er:
Protonen & Neutronen bestehen aus Quarks 14
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Bekannte Materieteilchen Bekannte Materie besteht aus Teilchen
der 1. Familie Je hher die Familie desto schwerer die Teilchen 2.
und 3. Familie nur kurz nach dem Urknall vorhanden 15
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Bewegungsgesetze Wir wissen jetzt woraus Materie besteht, aber
wie verhlt sie sich? Bsp: Gravitation - Flugkurve beim Kugelstoen
16 Newtonsche Mechanik:
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Bewegungsgesetze Ab 1925: Quantenmechanik (Atome, Molekle) Ab
1928: Quantenfeldtheorie fr schnelle Teilchen
(Teilchenbeschleuniger) 17 Krfte sind die Ursache fr Bewegungen
(Dynamik) Es gibt 4 bekannte Krfte im Universum Gravitation,
Elektromagn., starke Kraft, schwache Kraft
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Krfte und Ladungen Zu jeder Kraft gehrt eine Ladung Teilchen
tragen Ladungen Krfte koppeln an die Ladung eines Teilchens (Bsp.
F=m g Gravitation ~ Masse) Krfte knnen abstoend oder anziehend sein
Kraftwirkung = bertragung von Energie und Impuls durch
Kraftteilchen Elektron Photon 18
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Ladungen von Teilchen 4 fundamentale Wechselwirkungen 4
fundamentale Ladungen: 1. Farbladung Starke Wechselwirkung 2.
Elektr. Ladung Elektromagnetismus 3. Schw. Ladung Schwache
Wechselwirkung 4. Energie, Masse Gravitationskraft Summe der
Ladungen bleibt erhalten Ladungen eines Teilchens beeinflussen sich
nicht gegenseitig 19
Zusammenfassung: Teilchen & Krfte (ab Mrz 2013) 29
Higgs
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Was ist das Higgsteilchen ? Vakuum: Higgs-Teilchen alleine
reelles Teilchen zieht HiggsT. an Teilchen wird gebremst und trge,
d.h. es wird massiv Im SM sind alle Teilchen masselos Ansatz: Es
gibt ein allgegenwrtiges Higgsfeld ( Higgsfeld = Raumbereich in dem
Higgsteilchen wirken) WW des Higgs-Teilchen mit anderen Teilchen
verleiht ihnen Masse
Folie 31
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Higgsfeld und Massenerzeugung 1.Beschleunigung eines Elektrons
durch elektrisches Feld (Energiebertragung) 2.Higgsfeld betrgt
Energie = Masse / c via Higgsteilchen an das Elektron WW Feld
Teilchen
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LHC - Die Higgsfabrik LHC = Large Hadron Collider Kollidiert
Protonen mit E(Proton) = 4000 TeV v = c 9m/s Lnge: 27 km 4 groe
Experimente:
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Folie 35
Produktion von Higgsteilchen Higgsteilchen knnen erzeugt
werden, wenn Protonen mit hoher kinetischer Energie kollidieren,
bspw: Produktionsrate insgesamt: ~10 Higgs / Minute Proton Higgs
Gluon q q q Gluonfusion
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Nachweis des Higgsteilchens Das Higgs zerfllt auf viele Arten
Zwei gut messbare Zerflle: H H Z0Z0 Z0Z0 q q q l+l+ l-l- l+l+ l-l-
P = 0.23% P = 0.03% l = e,
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Ergebnisse: Higgs
Folie 38
Higgs 4l ( l = e, )
Folie 39
Ereignisbild mit Higgs
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Physiknobelpreis 2013 An Peter Higgs und Francois Englert fr
die Theorie des Higgsmechanismus
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Offene Fragen 1. Frage: Wie entstand unser Universum? 41
Folie 42
Offene Fragen 2. Frage: Wo ist die Antimaterie? Am Anfang des
Universums gab es gleich viel Materie und Antimaterie Eine Sekunde
spter war die Antimaterie weg CP-Verletzung: Materie und
Antimaterie verhalten sich ein bisschen unterschiedlich
Folie 43
Offene Fragen 3.Frage: Woraus besteht unser Universum?
bekannter Materie macht nur 4% unseres Universums aus 43
Folie 44
Offene Fragen 4. Frage: Gibt es eine Weltformel? Zusammenfhren
von Theorien schon teilweise gelungen! 44 Schwache Wechselwirkung
Elektrostatik Magnetostatik Elektrodynamik (1864) QED (1940er)
Starke Wechselwirkung Gravitation Elektroschwache Wechselwirkung
(1967) Groe Vereinheitlichung Weltformel Theory of Everything
2010
Folie 45
Offene Fragen 5. Haben Quarks Unterstrukturen? 6. Weitere
Elementarteilchen? 7. Weitere Dimensionen? 45 es gibt noch viel zu
tun!
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MESSUNG DES Z0-ZERFALLS 2.Teil 46
Folie 47
Das Opal-Experiment Vielzweck-Experiment am CERN von 1989 bis
2000 Ziel: Erforschung des Z0 und seiner Zerflle Grundprinzip:
Kollision von e+ und e- und Erzeungung von Z0 47
Folie 48
Das Z0-Boson 1960er: Vorhersage in der Theorie der
elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er:
genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: Masse = 91,2 GeV/c 48
GeV/c?
Das Z0-Boson 1960er: Vorhersage in der Theorie der
elektroschwachen Kraft 1983: 1. direkter Nachweis am CERN 1990er:
genaue Erforschung durch OPAL Eigenschaften: Masse = 91,2 GeV/c 97
H-Atome Elektrisch neutral Lebensdauer: Unterliegt der schwachen WW
und Gravitation 50
Folie 51
http://www.particlezoo.net/ Das Z0 Teilchen ist kuflich!
Folie 52
Zerflle von Teilchen Fast alle Teilchen sind instabil und
Zerfallen (auer Proton, Photon, Elektron) Art und Weise der Zerflle
durch Naturkrfte bestimmt Teilchenphysiker rekonstruieren Teilchen
aus seinen langlebigen Zerfallsprodukten Bsp: Betazerfall: n p + e-
+ Wichtig fr alle Zerflle: Messung von Energie & Impuls
Energie- & Impulserhaltung 52
Folie 53
Ergebnis der Neutronrekonstruktion Lebensdauer ( ) und
Energiebreite ( ) sind verknpft: 53
Folie 54
Lebensdauer und Zerfallsbreite Die Lebensdauer/Zerfallsbreite
eines Teilchens ist abhngig von Zahl der mglichen Zerflle
(Zerfallskanle) n Je mehr Lcher desto schneller ist der Eimer leer
Je mehr Zerflle desto breiter das Energiespektrum 54 1 2 3
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Bedeutung des Z0 Zentrale Frage: Wieviele Teilchen-Generationen
gibt es? Besonderheit des Z0: Es zerfllt nur in Teilchen einer
Familie! 55
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Zerfallsbreite des Z0 56 Breite gibt Aufschluss ber Zahl der
Familien = Zahl der Neutrinos Zerfallsbreite des Z0 spricht fr 3
Neutrinosorten 3 Teilchenfamilien
Z0 Zerflle im OPAL-Detektor 60 Kalorimeter aus Bleiglas Myonen-
Detektor
Folie 61
Z0 Zerflle im OPAL-Detektor 61
Folie 62
Backup 62
Folie 63
Der Teilchenzoo 63
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Relativittstheorie Energie-Masse quivalenz: E=mc Genauer:
Falls: Masse: unvernderlicher Teil der Gesamtenergie (Bsp. Kugel) E
= m + p E m p 64
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Lebensdauer und Zerfallsbreite 1. Schwere Teilchen zerfallen
immer in leichtere, wenn mglich! 2. Der Zerfall eines Teilchens ist
ein statistischer Prozess! Manche Z0 leben lnger als andere 65
Zerfallsgesetz:
Folie 66
Quantenphysik & Relativitt Teilchen-Welle-Dualismus: auch
massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte)
Klassisch 66
Folie 67
Quantenphysik & Relativitt Teilchen-Welle-Dualismus: auch
massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte)
Modern 67
Folie 68
Quantenphysik & Relativitt Teilchen-Welle-Dualismus: auch
massive Teilchen haben Welleneigenschaften (Interferenzeffekte)
Modern 68
