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Masterclasses Hands-on Particle Physics -Technische Universität Dresden - Montag, 25. Dezember 2010 Betreuer: Frank Seifert, Anne Glück Tutorin: Friederike Krüger Vorbereitung: Luise Kahnt 25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Masterclasses Hands-on Particle Physics

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Masterclasses Hands-on Particle Physics. Technische Universit ät Dresden - Montag , 25. Dezember 2010 Betreuer:Frank Seifert, Anne Glück Tutorin:Friederike Krüger Vorbereitung: Luise Kahnt. Masterclasses - Frank Seifert. 25.10.2010. Ablauf des Tages. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Masterclasses Hands-on Particle Physics

MasterclassesHands-on Particle Physics

-Technische Universität Dresden -Montag, 25. Dezember 2010

Betreuer: Frank Seifert, Anne GlückTutorin: Friederike KrügerVorbereitung: Luise Kahnt

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 2: Masterclasses Hands-on Particle Physics

11.10 – 14.10 Uhr Einführung

12.20 – 13.20 Uhr Pause und Fragen

14.10 – 15.10 Uhr Datenanalyse

15.10 – 15.30 Uhr Auswertung und Quiz

Ablauf des Tages

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 3: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 4: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Einführung Elementarteilchen

• Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik?

Zum Aufbau der Welt? Zum Universum?

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 5: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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?

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 6: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Aufbau der Materie – Das Standardmodell

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 7: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Aufbau der Materie – Das Standardmodell

Sichtbare Materie

-

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 8: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Aufbau der Materie – Das Standardmodell

Sichtbare Materie

- - -

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 9: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Aufbau der Materie – Das Standardmodell

Sichtbare Materie

- - -

El. Ladung

+2/3

-1/3

0

-1

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 10: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Aufbau der Materie – Das Standardmodell

Sichtbare Materie

- - -

El. Ladung

+2/3

-1/3

0

-1+++

El. Ladung

-2/3

+1/3

0

+1

Antimaterie

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 11: Masterclasses Hands-on Particle Physics

• Woher weiß man das?

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 12: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 13: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Teilchenphysik = Hochenergiephysik?

mc²=E

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 14: Masterclasses Hands-on Particle Physics

• 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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 15: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Unbekanntes Objekt in einer Höhle

• Projektil: Basketbälle

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 16: Masterclasses Hands-on Particle Physics

• Projektil: Tennisbälle

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 17: Masterclasses Hands-on Particle Physics

• Projektil: Murmeln

...Nichts wie weg !

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 18: Masterclasses Hands-on Particle Physics

• Habt ihr auch daheim!

• Funktionsprinzip:

• Linearbeschleuniger: DESY (Hamburg)

Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 19: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

Strahlenergie

Ee= 40-100 GeV

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 20: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren

• Elektronische Bilder

CERN, Genf, bis 2000

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 21: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Die nächste Generation:Der Large Hadron Collider LHC

Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 22: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 23: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Bilder vom LHC

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 24: Masterclasses Hands-on Particle Physics

170 Universitäten undInstitute aus 35 Ländern

TU Dresden: ATLAS Experiment

Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 25: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Ziele: Suche nach Neuem

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

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 26: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Zusammenfassung Bausteine

• Fundamentale Bausteine der Materie:

– Alle punktförmig • Welche Kräfte halten die

Bausteine zusammen?• Was ist überhaupt eine

fundamentale Kraft ?

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 27: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

Die 4 Kräfte- Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen -

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 28: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Prinzip von Kraftwirkungen

• Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung• Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung• Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen

Abstoßend Anziehend

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 29: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 30: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen

Die 4 Kräfte

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 31: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen

Die 4 Kräfte

Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 32: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen

Die 4 Kräfte

Kernzerfälle, Radioaktivität,

Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 33: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen

Die 4 Kräfte

Kernzerfälle, Radioaktivität,

Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion

Kosmos, Planetensysteme, Galaxien?

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 34: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Scientific American, 1997

Die Massen der Elementarteilchen

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 35: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Woher kommen die Teilchenmassen?

Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich.

Großer Forschungsschwerpunkt am LHC!

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 36: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 37: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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-

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 38: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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!

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 39: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Ergebnisse hochaktuellVeröffentlicht inPhysics Reports,

Mai 2006

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 40: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 41: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Detektorverhalten

„Teilchen-Jet”

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 42: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Zusammenfassung • Die unterschiedlichen Ladungen

bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen

• Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren

Hadronen

PionMyon

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 43: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

Press “escape” to exit

Page 44: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Zusammenhang mit Entwicklung des Universums

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 45: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Für die ganz Neugierigen

BACKUP

Page 46: Masterclasses Hands-on Particle Physics

1) Elektromagnetische Kraft

Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 47: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

1) Elektromagnetische Kraft

Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen

Ein Ladungstyp mit zwei Zuständen: Ladung und Antiladung

“plus” “minus”

+ - Ladung 0

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 48: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion

2) Starke Kraft

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 49: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion

2) Starke Kraft

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

Drei Ladungstypen Rot+ Antirot

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 50: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion

2) Starke Kraft

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

Drei Ladungstypen Rot+ Antirot

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

0

00

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 51: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion

2) Starke Kraft

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

Drei Ladungstypen Rot+ Antirot

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

0

00

00

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 52: Masterclasses Hands-on Particle Physics

2) Starke Kraft

Beispiel: Proton

Drei Ladungstypen Rot+ Antirot

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

0

00

00

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 53: Masterclasses Hands-on Particle Physics

2) Starke Kraft

Proton

Farbneutral

Drei Ladungstypen Rot+ Antirot

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

0

00

00

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 54: Masterclasses Hands-on Particle Physics

2) Starke Kraft

Proton

Farbneutral

+2/3 +2/3

-1/3Elektrische Ladung = +1

Drei Ladungstypen Rot+ Antirot

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

0

00

00

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 55: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 56: Masterclasses Hands-on Particle Physics

3) Schwache Kraft

Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion

• Ein Ladungstyp: I3

• Tragen alle Bausteinteilchen

z.B. Betazerfall:

● W

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

Tragen selbst schwache Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 57: Masterclasses Hands-on Particle Physics

3) Schwache Kraft

● W

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

Tragen selbst schwache Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen

Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion

Unterdrückung der effektiven Kopplung

• Ein Ladungstyp: I3

• Tragen alle Bausteinteilchen

z.B. Betazerfall:

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 58: Masterclasses Hands-on Particle Physics

• 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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 59: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Die Bedeutung der Teilchenmassen

Tatsächlicher Ablauf

Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse

Kleinere W-Masse

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 60: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Die Bedeutung der Teilchenmassen

Tatsächlicher Ablauf

Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse

Kleinere W-Masse

Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich.

Großer Forschungsschwerpunkt am LHC!

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 61: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Auf der Suche nach der „Weltformel“

heutigeexperimentelle

Grenze

Fortschritt der PhysikZurück zum Urknall

Page 62: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

30 GeV e ¯ p 800 GeV

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 63: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 64: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 65: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 66: Masterclasses Hands-on Particle Physics

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!

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert

Page 67: Masterclasses Hands-on Particle Physics

Die 4 Detektoren am LHC

25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert