Masterclasses Hands-on Particle Physics - Technische Universität Dresden - Montag, 21. Juni 2010 21.06.2010Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe,

MasterclassesHands-on Particle Physics

- Technische Universität Dresden -Montag, 21. Juni 2010

21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

08.30 – 10.30 Uhr Einführung

10.30 – 11.00 Uhr Pause und Fragen

11.00 – 12.00 Uhr Datenanalyse

12.00 – 12.15 Uhr Auswertung

Ablauf des Tages



Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09

Einführung Elementarteilchen

• Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik?

Zum Aufbau der Welt? Zum Universum?


Warum Elementarteilchenphysik??

• Welches sind die kleinsten Bausteine (fundamentalen Teilchen)?

• Welche Kräfte halten alles zusammen?

• Gibt es eine einfache, einheitliche Beschreibung für

das Ganze?

• Woraus bestehen wir und unsere Welt?


Aufbau der Materie – Das Standardmodell



Sichtbare Materie

-



Sichtbare Materie

- - -



Sichtbare Materie

- - -

El. Ladung

+2/3

-1/3

0

-1



Sichtbare Materie

- - -

El. Ladung

+2/3

-1/3

0

-1+++

El. Ladung

-2/3

+1/3

0

+1

Antimaterie


• Woher weiß man das?


Nützliche Einheiten für Teilchen

• Größe:1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m(1 mm = 1.000.000.000.000 fm)

• Energie:1 ElektronVolt = 1eV

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


Teilchenphysik = Hochenergiephysik?

2/ ΔpΔx

E=mc²


• Sehen = Abbilden

Abbilden = Struktur auflösen(funktioniert auch ohne Licht!)

Teilchenbeschleuniger als Mikroskope

• „Auflösungsvermögen“ : Treffgenauigkeit << Größe der StrukturenProjektilgröße << Größe der Strukturen

• Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV)

Beispiel:0,2 µm bei E = 1 eV 200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV 0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV

>0,15µm


Unbekanntes Objekt in einer Höhle

• Projektil: Basketbälle


• Projektil: Tennisbälle


• Projektil: Murmeln

...Nichts wie weg !


• Habt ihr auch daheim!

• Funktionsprinzip:

• Linearbeschleuniger: DESY (Hamburg)

Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger


Bis 2000: e-e+ bei LEP (CERN)

Strahlenergie

Ee= 40-100 GeV


Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren

• Elektronische Bilder

CERN, Genf, bis 2000


Die nächste Generation:Der Large Hadron Collider LHC

Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen


LHC Energie

• Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ

Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs

120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h

Nadelöhr:0.3 mm Durchmesser

Protonstrahlen am Kollisionspunkt:0.03 mm Durchmesser


Bilder vom LHC


170 Universitäten undInstitute aus 35 Ländern

TU Dresden: ATLAS Experiment

Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten


Ziele: Suche nach Neuem

• Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?)• Supersymmetrie (Dunkle Materie?)

nur 5% des Weltalls ist „normale“ Materie • zusätzliche Raumdimensionen


Zusammenfassung Bausteine

• Fundamentale Bausteine der Materie:

– Alle punktförmig • Welche Kräfte halten die

Bausteine zusammen?• Was ist überhaupt eine

fundamentale Kraft ?


Allgemein: – Kraftwirkung zwischen Teilchen– Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion


Die 4 Kräfte- Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen -

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?

• Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens

• Additiv:

Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B)

• Kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vor

• Ladung ist erhalten,

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



Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen

Die 4 Kräfte



Die 4 Kräfte

Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion



Die 4 Kräfte

Kernzerfälle, Radioaktivität,




Die 4 Kräfte

Kernzerfälle, Radioaktivität,


Kosmos, Planetensysteme, Galaxien?


1) Elektromagnetische Kraft


● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Trägt selbst keine Ladung➔ Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r2 ab)● Koppelt an elektrische Ladung


● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Trägt selbst keine Ladung➔ Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r2 ab)● Koppelt an elektrische Ladung

1) Elektromagnetische Kraft


Ein Ladungstyp mit zwei Zuständen: Ladung und Antiladung

“plus” “minus”

+ - Ladung 0



2) Starke Kraft

● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Koppelt an starke Farbladung● Trägt selbst starke Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung



2) Starke Kraft


Drei Ladungstypen Rot+ Antirot

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau



2) Starke Kraft



Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

0

00



2) Starke Kraft



Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

0

00

00

2) Starke Kraft

Beispiel: Proton



Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

0

00

00

2) Starke Kraft

Proton

Farbneutral



Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

0

00

00

2) Starke Kraft

Proton

Farbneutral

+2/3 +2/3

-1/3Elektrische Ladung = +1



Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

0

00

00


3) Schwache Kraft

Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion

● W

+, W- und Z0 Boson➔Hohe Masse (80 – 90 GeV)●

Tragen selbst schwache Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen


3) Schwache Kraft


• Ein Ladungstyp: I3

• Tragen alle Bausteinteilchen

z.B. Betazerfall:

● W




3) Schwache Kraft

● W




Unterdrückung der effektiven Kopplung

• Ein Ladungstyp: I3

• Tragen alle Bausteinteilchen

z.B. Betazerfall:

Scientific American, 1997


Die Massen der Elementarteilchen

Woher kommen die Teilchenmassen?


Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich.

Großer Forschungsschwerpunkt am LHC!


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 vernichten, z.B.e+ + e- Z0 , am besten wenn 2Ee=mZc2

mZ 2Ee

Z “Zerfälle“

• Das Z Teilchen ist nicht stabil• Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere

Teilchen um

Z0

e+e-

+-

+- qq

Zeit

Z0 Z0

e+

e-


Zerfallskanäle

• Löcher entsprechen „Zerfallskanälen“• Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht vorhersagbar

Für einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar Entleerungsdauer ~ absolute Größe der Löcher

Zerfallsdauer ~ Stärke der „Kopplungen“ an Teilchenpaare Ergebnis: „Schwache Wechselwirkung“ gar nicht so schwach!

• Verhältnis der Austrittsmengen ~ Größenvergleich der LöcherVerhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten ~ Größenvergleich der

Kopplungen

Z0

e+e-

+-

+- qq

Aufgabe für danach!



Ergebnisse hochaktuellVeröffentlicht inPhysics Reports,

Mai 2006

Teilchenidentifikation = Detektivarbeit

• feststellbareTeilcheneigenschaften:– aus Quarks („Hadronen“)– elektr. geladen / ungeladen– leicht / schwer

• Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

• Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten


Detektorverhalten

„Teilchen-Jet”


Zusammenfassung • Die unterschiedlichen Ladungen

bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen

• Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren

Hadronen

PionMyon


Schnitt durch einen Sektor des CMS DetektorsTeilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen

Press “escape” to exit

Zusammenhang mit Entwicklung des Universums


Für die ganz Neugierigen

BACKUP

• Ändern von mu ,md oder me hätte

– kaum Effekt auf Atommassen – kaum Effekt auf Materiedichte – riesigen Effekt auf Verhalten der Materie

• Erniedrige mW auf die Hälfte

– Sonne brennt viel zu schnell f. Evolution d. Lebens

• Erniedrige md – me um 1 MeV/c2

– ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs

– keine Wasserstoff-Atome, n stabil

• Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2

– Proton- und Deuteriumzerfall– Keine Sterne– nur neutrale Teilchen (n, ...)

Die Bedeutung der Teilchenmassen




Tatsächlicher Ablauf

Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse

Kleinere W-Masse

http://www.vimeo.com/2983002



Tatsächlicher Ablauf

Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse

Kleinere W-Masse

Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich.

Großer Forschungsschwerpunkt am LHC!

http://www.vimeo.com/2983002

Auf der Suche nach der „Weltformel“

heutigeexperimentelle

Grenze

Fortschritt der PhysikZurück zum Urknall

Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets• e-p Kollisionen bei HERA am DESY

30 GeV e ¯ p 800 GeV


frühes Universum: Temperatur 1015 K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV

alle Teilchen kollidieren unkontrolliert

gezielte, kontrollierteeinzelne Kollisionenund deren Aufzeichnung

Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV


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


Ein Blick in den Tunnel

• Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu– Strukturen und Abständen von 10-19 Metern– Massen auf der Teraskala (E = mc2 = 1TeV)– Entwicklung des Universums nach dem Urknall

von 0,000.000.000.001 s bis 0,000.01 s


primäres Teilchen trifft auf

Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe

Atmosphär

e

e

e

Fuji

3776

m

np

p,

He, ...

e

Entdeckt: 1937-1947

wie e, nur 200x schwerer

mehrere Teilchen-Familien!



Die 4 Detektoren am LHC

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