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Wunderwelt von A - Z Wunderwelt von A - Z für für

ElementarteilchenphysikElementarteilchenphysikerer

Zusammengestellt von R. Eitelberger Zusammengestellt von R. Eitelberger Inst.f.Hochenergiephysik Wien Inst.f.Hochenergiephysik Wien

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A – wie AtomkernA – wie Atomkern

Das Photon schlägt ein Quark aus einem Nukleon.

Das Quark fliegt durch den Atomkern, verliert womöglich Energie und verläßt den Kern als Hadron.

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B – wie BlasenkammerB – wie BlasenkammerAls Füllflüssigkeit hat sich flüssiger Wasserstoff bewährt, der zunächst bei einem Druck von 5 bis 6 bar schwach unterkühlt und völlig blasenfrei ist. Innerhalb weniger Millisekunden wird der Druck halbiert. Die vom Druck abhängige Siedetemperatur sinkt. Die Temperatur der Füllflüssigkeit ist jetzt größer als die neue Siedetemperatur. Für wenige Millisekunden ist die Kammer nun empfindlich für einfliegende Teilchen, die Ionen in der Kammer erzeugen. An den Ionen bilden sich dann Dampfbläschen, die durch geeignete Beleuchtung und Fotografie sichtbar gemacht werden können.

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C – wie CERNC – wie CERNEuropäisches Labor für Teilchenphysik in Merin nahe Genf. Gegründet 1954

20 Europäische Staaten sind Vollmitglied

Kernstück ist der 27 km lange Ringbeschleuniger zwischen 45 und 140 m unter der Erdoberfläche.

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D – wie DetektorenD – wie Detektoren

Mit dem bloßen Auge sind die winzigen Partikel, nach denen in der Teilchenphysik gefahndet wird, nicht mehr zu erkennen. Erst die haushohen Detektoren erlauben es den Physikern, das Unsichtbare sichtbar zu machen und den Bausteinen der Welt auf die Spur zu kommen.

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E – wie ElektronenvoltE – wie Elektronenvolt

In der Atom- und Kernphysik gebräuchliche Einheit der Energie. Ein Elektronvolt ist die von einem Elektron oder sonstigen einfach geladenen Teilchen gewonnene kinetische Energie beim Durchlaufen einer Spannungsdifferenz von 1 Volt im Vakuum.

Abgeleitete, größere Einheiten:

KeV Kiloelektronvolt = 1.000 eV MeV Megaelektronvolt = 1.000.000 eV GeV Gigaelektronvolt = 1.000.000.000 eV

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F – wie FunkenkammerF – wie Funkenkammer

Kosmische StrahlungSeit 1913 ist bekannt,  daß eine vom Weltraum auf die Erde einfallende hochenergetische Strahlung existiert.  Diese löst in der Atmosphäre eine Sekundärstrahlung aus,  welche noch bis in 10000 m Wassertiefe nachweisbar ist.  Unter der Strahlung versteht man eine Sammlung von Teilchen unterschiedlicher Art. 

Wiener Funkenkammer Bj.1970

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G – wie GravitationG – wie GravitationDie Gravitation - fundamentale Eigenschaften   In den Größenordnungen unseres täglichen Lebens ist die Gravitation, neben der elektromagnetischen Wechselwirkung, die wichtigste Kraft, da sie alle unsere Bewegungen beeinflusst.    Sowohl die Bewegung von Planeten als auch der berühmte freie Fall von Newtons Apfel werden von der Gravitation bestimmt. Sie wirkt nur anziehend, das heißt Effekte wie eine "Gravitationsabstoßung" oder "Antigravitation" wurden bisher nicht beobachtet und werden es wohl auch nicht. Das Austauschboson der Gravitation, das Graviton ( ), ist (wahrscheinlich) masselos. Die Reichweite der Gravitation ist unendlich.  Die Stärke der Gravitation ist proportional zu den Massen der Wechselwirkungspartner (m1 und m2). Sie wurde als erste Kraft quantitativ durch das Newtonsche Gravitationsgesetz beschrieben: 

Für die massen- und abstandsabhängige Kraft FG gilt:  Hierbei bezeichnet g die sogenannte Gravitationskonstante.

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H – wie HalbleiterdetektorenH – wie HalbleiterdetektorenHalbleiterdetektoren (Zähldioden, Sperrschichtzähler) besitzen eine bessere Energieauflösung als Ionisations- kammern, da sie Teilchen mit geringerer Energie detektieren können. Sie sind meist als dünne Halbleiterplättchen ausgebildet, die einen pn-Übergang enthalten. Zwischen dem n- und p-Leiter bildet sich eine ladungsträgerfreie Zone aus (siehe Abbildung links). Diese wird durch Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung vergrößert.

Dringt ein ionisierendes Teilchen in diese Zone ein, erzeugt es Paare von Elektronen und Löchern. Die dafür benötigte Energie beträgt ca. 1eV und liegt im Vergleich zur Ionisationsenergie eines Gasmoleküls (ca. 30eV) viel niedriger. Die Energieauflösung des Halbleiterdetektors ist somit größer.

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I – wie I – wie IIntersecting ntersecting SStorage torage RRinging

Erster Speicherring im Cern mit ca. 200 m Durchmesser

Magnet im ISR

Bestückt mit Proportional -Kammern.

Das Wiener Institut fertigte Detektoren für dieses Experiment

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J – wie JouleJ – wie JouleDas Joule ist die abgeleitete SI-Einheit der gleichnamigen Größen Energie, Arbeit und Wärmemenge. Benannt ist die Einheit nach James Prescott Joule. Nach den unterschiedlichen Arten der Herleitung sind auch die Bezeichnungen Newtonmeter und Wattsekunde gebräuchlich:1 Joule = 1 Newton · 1 Meter = 1 Watt · 1 SekundeEin Joule ist also gleich der Energie, die benötigt wird, um über die Strecke von einem Meter die Kraft von einem Newton aufzuwenden, bzw. für die Dauer einer Sekunde die Leistung von einem Watt aufzubringen.In SI-Basiseinheiten berechnet sich ein Joule als:

Einheitenzeichen: J Formelzeichen: E, W Umrechnung in andere Energie-Einheiten

Elektronenvolt 1 eV = 1,602 176 462(63) · 10-19 J

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K – wie KalorimeterK – wie KalorimeterTeilchendetektoren - Schauerzähler/Kalorimeter

Kalorimeter (oder Schauerzähler) sind Detektoren, mit denen die Energie und die Art von Teilchen bestimmt werden kann. Ihr Vorteil besteht darin, dass sie auch gegenüber ungeladenen Teilchen empfindlich sind. In Kalorimetern wird die elektro- magnetische und starke Wechselwirkung von Elementarteilchen mit Materie ausgenutzt. Sie bestehen aus passiven Materieplatten (z.B. Blei, Eisen, Uran), in denen die Wechselwirkung stattfindet, und die so als Absorptionsmaterial wirken, und dazwischenliegenden aktiven Detektorelementen (Szintillatoren), an die Photomultiplier angeflanscht werden. Neben Matrizen aus Szintillationszählernwerden auch Halbleiterdetektoren und seltener auch Drahtkammern eingesetzt. Durch die Detektormatrizen werden die Strukturen der Teilchenschauer aufgezeichnet und später zur Teilchenidentifikation verwendet.

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L – wie LHCL – wie LHC

Seit 2000 ist der neue Beschleuniger

Large Hadron Collider im Bau

Er soll bis 2007 fertiggestellt sein und der weltweit leistungsstärkste Beschleuniger sein

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M – wie MagneteM – wie Magnete

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N – wie NobelpreisN – wie Nobelpreis

Physik-Nobelpreis 2004

Erforschung der QuarksStockholm (be). In diesem Jahr geht der Nobelpreis für Physik an drei amerikanische Forscher: David J. Gross, H. David Politzer und Frank A. Wilczek. Sie erklären die Wechselwirkung zwischen den kleinsten Teilen der Materie, den so genannten Quarks.

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O – wie Optische BankO – wie Optische Bank

Im vorliegenden Versuch geht es um die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im Rahmen der geometrischen Optik, die anhand der Eigenschaften von Linsensystemen genauer untersucht werden soll. Zusätzlich werden die Grenzen der geometrischen Optik etwas ausgeleuchtet.

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P – wie ProtonenP – wie ProtonenProtonDas Proton gehört zur Gruppe der Baryonen. Es kann als Verbindung aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark beschrieben werden und ist positiv geladen. Die Ladung eines Protons ist genau entgegengesetzt zur Elektronenladung. Man nennt diese Ladungsmenge auch Elementarladung. Das Proton ist etwa 2000 mal schwerer als das Elektron. Das Proton ist das leichteste Baryon. Es kann deshalb nicht in leichtere Baryonen zerfallen. Sollte es dennoch zerfallen können, so muss das über eine hyperschwache Wechselwirkung geschehen, die noch schwächer ist als die schwache Kernkraft und die Gravitation. Dabei könnten zum Beispiel zwei Quarks in ein Antiquark und ein Lepton umgewandelt werden. Ein denkbarer Zerfall des Protons, der die Gesamtladung nicht ändern würde, würde ein Pion und ein Positron (=Anti-Elektron) erzeugen.

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Q – wie QuarkQ – wie Quark

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R – wie RelativitätstheorieR – wie Relativitätstheorie

Jeder kennt sie - doch die wenigsten wissen etwas damit anzufangen:

die Relativitätstheorie von

Albert Einstein.

Und jeder Schüler lernt:

E=mc2,

doch verstehen können das nur die Genies.

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S – wie SupersymmetrieS – wie SupersymmetrieZwei Sorten von Teilchen Die Teilchenwelt des Standard-Modells ist in zwei Lager geteilt: Da gibt es Materieteilchen wie die Elektronen und Quarks, sowie Wechselwirkungsteilchen wie die Photonen und Gluonen (siehe "Was hat es mit dem Standard-Modell auf sich?"). Beide Arten unterscheiden sich in einem wesentlichen Punkt: dem Spin oder Eigendrehimpuls. Denn es scheint so, als ob sich Quarks, Elektronen und Gluonen um die eigene Achse drehen. Das Ganze kann man sich wie die Drehung der Erde um sich selbst vorstellen - mit einer Ausnahme: Bei Materieteilchen sind nur zwei Einstellungen der Achse möglich: nach oben oder nach unten. Bei den Wechselwirkungsteilchen sind es drei. Physiker haben für Teilchen mit gerader Anzahl von Einstellungen den Namen Fermionen geschaffen, im ungeraden Fall sprechen sie von Bosonen. Beide unterscheiden sich krass in ihrem physikalischen Verhalten. Die "Supersymmetrie" vereint nun die ungleichen Brüder:

Super-Teilchen

'Zu jedem Teilchen soll es einen Superpartner geben.

In den siebziger Jahren stießen Physiker auf eine neue Symmetrie, die mit dem Spin von Teilchen zusammenhängt. Neben den Dreh-, Verschiebungs- und Spiegelungssymmetrien gab es nun ein neues Prinzip in der Physik: die Supersymmetrie, die Bosonen mit Fermionen verbindet. Zu jedem der bekannten Teilchen existiert demnach ein weiterer Superpartner. Da kommt eine ganz schöne Liste zusammen. Ob einem die Namen gefallen, ist dann eher eine Geschmacksfrage. Denn den Superpartnern der Materieteilchen stellt man ein "s" vorweg. Die supersymmetrischen Zwillinge der Wechselwirkungsteilchen bekommen ein "ino" hintenangestellt. Und so tummeln sich in der Welt plötzlich Selektronen, Gluinos, Squarks und Higgsinos.

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T – wie TeilchenbeschleunigerT – wie Teilchenbeschleuniger

Prinzipskizze eines Ringbeschleunigers: Synchron mit der Zunahme der Teilchenenergie muss man auch die Magnetfelder der Ablenkmagnete erhöhen. Je größer nämlich die Energie der Teilchen ist, umso mehr Magnetkraft braucht man, um sie "um die Ecke" fliegen zu lassen. Aus diesem Grund nennt man diesen Ringbeschleuniger auch "Synchrotron". (Grafiken: I&P)

In einem solchen Linearbeschleuniger kann man Elektronen auf Energien von mehreren Milliarden Elektronenvolt bringen. Dazu muss man allerdings auch die Beschleunigungsspannungen auf einige Milliarden Volt erhöhen. Das Bild ist nicht maßstabsgetreu. Zunächst langsame Elektronen werden schneller und so muss der Abstand der Platten immer größer gemacht werden. Bei Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ist dies nicht mehr notwendig.

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U – wie UrknallU – wie Urknall

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V – wie V – wie VieldrahtproportionalkammerVieldrahtproportionalkammer

Ein geladenes Teilchen, das ein Gasvolumen durchquert, ionisiert das Gas, wobei Elektron-Ion-Paare entstehen. Die Elektronen (,,Primärelektronen'') driften zu den im Gasvolumen befindlichen, dünnen, positiv geladenen Zähldrähten. In dem sehr hohen elektrischen Feld in der Nähe des Zähldrahtes gewinnen die Elektronen zwischen zwei Stößen mit den Gasatomen genügend kinetische Energie, um ihrerseits Atome zu ionisieren. Dies führt zu einem lawinenartigen Anwachsen der Elektronenzahl. Die Vieldrahtproportionalkammer (Nobelpreis 1992 für G. Charpak) ist eine Weiterentwicklung des vielseitig benutzten Proportionalzählers. Sie besteht aus vielen Anodendrähten, die in einer Ebene aufgespannt sind. Die einzelnen Zähldrähte werden unabhängig voneinander ausgelesen und liefern damit eine Ortsinformation, deren Genauigkeit vom Abstand der Drähte abhängt.

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W – wie WechselwirkungW – wie Wechselwirkung

Beispielsweise wird ein die Erde umkreisender Satellit durch die Gravitationswirkung der Erde auf ihn auf seiner Bahn gehalten. Der Satellit übt umgekehrt auch auf die Erde eine Gravitationswirkung aus; die ist seiner eigenen kleinen Masse wegen aber so klein, dass sie nicht gemessen (wohl aber berechnet) werden kann.In der Physik werden vier Arten von Wechselwirkungen unterschieden, die auch als die vier Grundkräfte der Physik bezeichnet werden.Wechselwirkungen sind mit einem Energieaustausch verbunden. Neuerdings sind in der Quantenphysik auch wechselwirkungsfreie Vorgänge (wechselwirkungsfreie Messung) beobachtet worden.

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X – wie XenonX – wie Xenon

Xenon-Licht für Superchips Deutsche Wissenschaftler von der Firma Microliquids in Göttingen entwickelten eine neuartige Gaslampe, in der ein hauchdünner Strahl flüssigen Xenons mit einem Laser angeregt wird und dabei das begehrte Licht mit Wellenlängen zwischen 2 und 20 Nanometern aussenden kann. Bereits kommendes Jahr soll diese EUV-Leuchte marktreif sein.

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Y – wie YukawaY – wie Yukawa

Physiknobelpreis 1945

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Z – wie ZukunftZ – wie Zukunft

Was uns die Zukunft bringt wissen wir noch nicht.

Viel Erfolg bei der wissenschaftlichen Tätigkeit

wünscht der Verfasser dieser Wunderwelt

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So sieht der Alltag eines So sieht der Alltag eines Elementarteilchenphysikers ausElementarteilchenphysikers aus

Jimmy ich hab’s gefunden !

Ein Supersymmetrisches Kochrezept