Physik mit Teilchen, Kernenund Sternen

Das Exzellenzcluster ‚Origin and Structure of the Universe‘

Prof. Stephan Paul

Schülertag TUM - 1.2.20072

Vom Kleinen zum Grossen – Der Kreis der Physik

Schülertag TUM - 1.2.20073

Kräfte und Wechselwirkungen

• Art des ausgetauschten Teilchens bestimmt WW• Reichweite der Wechselwirkung:

– Austauschteilchen is virtuelles Teilchen→ Energiesatz wird verletzt

– Hohen Massen (Energien) Kleine Abstände untersuchen

max mit und

200in Zeit t zurückgelegte Distanz:

[ ]

Teilchen

Teilchen Teilchen

E t E m v c

cr fmm m MeV

Schülertag TUM - 1.2.20074

Wechselwirkungen II• Masselose Teilchen: Graviton, Photon geben eine unendliche

Reichweite (1/r-Gesetz)• Teilchen der Masse m = 80 GeV → Reichweite; 2.5∙10-3 fm ca.

1/1000 Größe eins Protons (schwache WW)• Teilchen der Masse m = 140 MeV → Reichweite: 1,4 fm

(Kernkraft)

Schülertag TUM - 1.2.20075

Die Bausteine der Welt

Schülertag TUM - 1.2.20076

Die Suche nach dem Ursprung der Masse

• Urbausteine (Quarks/Leptonen) haben Masse– Es gibt leichte Bausteine (u,d-Quark, Elektron)– Es gibt schwere Bausteine (b,t-Quark, muon/-Lepton)

ca. 1000-10000 mal schwerer

• Warum – Haben Bausteine die gemessenen Massenwerte– Gibt es Bausteine mit so unterschiedlicher Masse

• Higgs-Mechanismus– Hintergrundfeld erzeugt Masse (Higgs-Teilchen)– Vgl. Schumacher in Fangemeinde.....

Schülertag TUM - 1.2.20077

Der Higgs-Effekt – Wie Masse Entsteht

Schülertag TUM - 1.2.20078

10-43 Sekunden:

Der Vorhang hebt sich…

Superstrings: eine ‘Weltformel’ ?

• Alle Kräfte sind vereint• Die Welt ist 10-dimensional• Doch nur 4 Dimensionen haben nn der Expansion

des Raumes teilgenommen,• Die anderen Dimensionen sind aufgrollt

Raum und Zeit sindschaumig….

Schülertag TUM - 1.2.20079

10-35 - 10-32 s:

Inflation:

Innerhalt 10-32 Sekunden expandiert der Raum um das

1050-fache

• QuantenFluktuationen in der Energiedichte werden verstärkt (3 K Hintergrundstrahlung)• Sie bilden die Grundlage für die spätere Entstehung von Galaxien

Schülertag TUM - 1.2.200710

WMAP 2003

Cobe 1994

Das Babyfoto: MikrowellenTemperaturschwankungen

2006

Schülertag TUM - 1.2.200711

Ein winziger Überschuss von Materie zu Antimaterie wird erzeugt

Aus der 1 in der neunten Stelle hinterm Komma sind WIR gemacht

Schülertag TUM - 1.2.200712

Bis 10-10 Sekunden:

Suppe aus Elementarteilchen und Austauschbosonen in steter WW

Dabei Abkühlung durch räumliche Expansion und Änderung der Kopplungsstärken

Schülertag TUM - 1.2.200713

10-10-10-6 Sekunden:Elektroschwache

Symmetriebrechung

Neutrinos entkoppeln: schwache WW wird zu schwach, Neutrinos sehen andere Teilchen zu selten

Schülertag TUM - 1.2.200714

Wie betrachte ich verschiedene Größenskalen ?

Schülertag TUM - 1.2.200715

Mikroskope.....

Ringbeschleuniger

Beschleungungsstrecke Umlenkmagnete

Nutzbare Energie zur Erzeugung von Neuem: √s = E1+E2

Baue Collider (zwei kollidiernde Strahlen)

Schülertag TUM - 1.2.200716

CERN – Herr der Ringe

8.6 km

Schülertag TUM - 1.2.200717

LHC-Ring - Simulation

CERN Beschleuniger und das LHC

Testaufbau8 TeV auf 8 TeV Kollisionen.... Mp ~ 1 GeV und E=mc2

Schülertag TUM - 1.2.200718

Wie sieht ein Detektor aus ?

Schülertag TUM - 1.2.200719

Eindrücke eines Superdetektors

Zentraler Detektorteil - Rohbau

Transportprobleme ??

Schülertag TUM - 1.2.200720

Was passiert bei einer harmlosen Kollision ?

Strahl Strahl

Schülertag TUM - 1.2.200721

Kollisionen bei hohen Energien:

Higgs Teilchen simuliert

Schülertag TUM - 1.2.200722

10-4-10-2 Sekunden:

Proton und Neutron kondensieren aus der

Suppe von Quarks und Gluonen

(Quark-Gluon Plasma)

Ansicht eines ProtonsMit hoher Auflösung

Schülertag TUM - 1.2.200723

10-2-103 Sekunden:

Entstehung der ersten Elemente

Primordiale Nukleosynthese

Die ersten 3 Minuten sind vorüber

Es gibt keine stabilenElemente mitA=5

4He ist Endstation

Schülertag TUM - 1.2.200724

FRM II der TUM

Einlasskonfiguration

Messung der Lebensdauer des Neutrons

Neutron trajectories

good bad

Magnetischer MultipolBeff ~ 2T

Stromleiter

Proton Nachweis

Der ReaktortankDie Neutronenextraktion

Schülertag TUM - 1.2.200725

105 Jahre:Entstehung der Atome

Entkopplung der Photonen

Ab 109 Jahre:Entstehung der Sterne und Galaxien

Schülertag TUM - 1.2.200726

Elemtenstehung - Was macht ein Stern ?

Schülertag TUM - 1.2.200727

Was macht die Sonne ?

Kernfusion im Herzen der Sonne: 4 p 4He + 2e+ + 2

e (+ 26.7 MeV)

genauer:

e

e

e

e

e

Neutrino energy [MeV]

auf der Erde:65 Milliarden Neutrinos pro s und cm2

Schülertag TUM - 1.2.200728

Licht und Neutrinos von der Sonne.. Stimmt das ?

50 000 t H20 Cerenkov Detektor

40 m hoch40 m Ø

11146 Licht-detektoren50 cm Ø

1 km tief inKamiokaMine, Japan

Schülertag TUM - 1.2.200729

Bis jetztEntstehung der schweren Elemente:

Supernovaexplosionen

Ende einer Supernovaexplosion: Schwarzes Loch

Im Zentrum jeder Galaxie findet sich ein schwarzes Loch:

Beispiel: unsere Milchstrasse (Bild im Nahinfraroten - VLT):

Schülertag TUM - 1.2.200730

Kernphysik – Die Landkarte der Kerne

Schülertag TUM - 1.2.200731

Entstehung neuer Elemente im Labor

GSI – IonenbeschleunigerUNILAC

Schülertag TUM - 1.2.200732

Dennoch…. Wir wissen wenig

Sterne und Galaxien machen nur ~0.5% aus Neutrinos ~0.3–10% Rest normaler Materie (Elektronen and Protonen) ~5% Dunkle Materie ~30% Dunkle Energie ~65% Anti-Materie 0% Higgs Kondensate ~%??

Schülertag TUM - 1.2.200733

Unsere Instrumente für große Objekte

Universitätsternwarte (LMU) - Wendelstein

Paranal VLT Chile (ESO)

Schülertag TUM - 1.2.200734

Und Wie War’s Ganz Am Anfang ?

Schülertag TUM - 1.2.200735

Mehr Info auf: www.universe-cluster.de