PowerPoint Presentation

190019101920193019401950196019701980199020002010FelderTeilchenElektro-magnetismusSpezielle RelativittQuantenmechanikWelle-Teilchen DualismusSpin/Fermion-BosonAntimaterieW BosonsQEDMaxwellSUSYHiggsSuperstringsUniversumNewtonKinetischeGastheorieBrownsche BewegungAllgemeine RelativittBig BangNukleosyntheseInflationAtomKerne-p+nTeilchen-zoou -edsc--btGalaxien; Ausdehnung des UniversumsKernfusionKosmischeHintergrundstrahlungGUT MasseQCDFarbladungDunkle EnergieDunkle MaterieWZgPhotonSchwacheWWe+p-Fermi TheorieYukawa AustauschBoltzmannRadio-aktivittTechnologienGeigerWolkenBlasenkammer ZyklotronDetektorBeschleunigerHhen-strahlungSynchrotrone+e- Ringp+p- RingStrahlkhlungVieldrahtkammerProzessrechnerWWWGRIDModerneDetektorenP, C, CP VerletzungSTANDARD MODELEW Vereinigung3 TeilchenfamilienInhomogenitt der Hintergrundstrahlung(COBE, WMAP)189519051975ElektromagnetismusStarkeWW3Ein neues schweres Elektron mit M= 3500 me

Gerade war das Standard-Modell mit zwei Familien von Leptonen und Quarks etabliert ...MIT DER NEUEN LOGIK DER LEPTON-QUARK SYMMETRIE

ein weiteres Neutrino (the tau neutrino),und zwei weitere Quarks (top and bottom).

Leptons1975

Marty Perl's Logbook... und wer hatte das bestellt?

...da fand man am SLAC ein drittes Lepton!TEILCHENSPEKTRUMQuarkscudsQuarksee--Leptonstbt-Die Suche nach den fehlenden Familienmitgliedern begann ...new1975TEILCHENSPEKTRUMEntdeckung des Bottom Quark (Fermilab)

Quarks1977 entdeckten Physiker am Fermilab (nahe Chicago) ein neues Meson (genannt Upsilon) Seine Eigenschaften passten auf den Steckbrief eines Mesons, das aus einem bottom/anti-bottom Quark Paar bestand. Daraus folgte dass das Bottom quark die elektrische Ladung -1/3 und eine Masse von ca. 5 GeV hatte.

1977cudsQuarksee--Leptonstbt-TEILCHENSPEKTRUMEntdeckung des Top Quark (Fermilab)

Quarks1995cudsQuarkstb

TEILCHENSPEKTRUM190019101920193019401950196019701980199020002010FelderTeilchenElektro-magnetismusSpezielle RelativittQuantenmechanikWelle-Teilchen DualismusSpin/Fermion-BosonAntimaterieW BosonsQEDMaxwellSUSYHiggsSuperstringsUniversumNewtonKinetischeGastheorieBrownsche BewegungAllgemeine RelativittBig BangNukleosyntheseInflationAtomKerne-p+nTeilchen-zoou -edsc--btGalaxien; Ausdehnung des UniversumsKernfusionKosmischeHintergrundstrahlungGUT MasseQCDFarbladungDunkle EnergieDunkle MaterieWZgPhotonSchwacheWWe+p-Fermi TheorieYukawa AustauschBoltzmannRadio-aktivittTechnologienGeigerWolkenBlasenkammer ZyklotronDetektorBeschleunigerHhen-strahlungSynchrotrone+e- Ringp+p- RingStrahlkhlungVieldrahtkammerProzessrechnerWWWGRIDModerneDetektorenP, C, CP VerletzungSTANDARD MODELEW Vereinigung3 TeilchenfamilienInhomogenitt der Hintergrundstrahlung(COBE, WMAP)189519051975ElektromagnetismusStarkeWWNeutrino trailFred ReinesNeutrinos

1956Entdeckung des (Elektron) NeutrinosKernreaktoren (n-Zerfall) sind eine starke Anti-Neutrino-QuelleKoinzidenz-Signal von Positron-Annihilation und NeutroneneinfangDie Geschichte der Neutrinos

TEILCHENSPEKTRUMJack Steinberger, 1962

"Muon" Neutrino Leptonenerhaltungssatz: es muss auch ein Muon-Neutrino geben1962Neutrinos

e e- -TEILCHENSPEKTRUMNeutrinos2000Entdeckung des Tau-Neutrinos (2000)

DONUT collaboration (Fermilab)TEILCHENSPEKTRUMNeutrinos1992Es gibt genau 3 Familien von Neutrinos (mit M < 45 GeV)Am LEP wurde die Zerfallsbreite des Zo gemessen

TEILCHENSPEKTRUM1956-1999Haben Neutrinos eine Ruhemasse ?

etNeutrino-OszillationenTeilchen werden durch Wellen (mit definierter Frequenz) beschrieben

Wenn die Frequenz hnlich ist entstehen Schwebungen ---> Neutrino-OszillationenTEILCHENSPEKTRUMEntdeckung von Neutrino-Oszillationen

1998Beobachtung:

ein Defizit von etwa 50% dieser Muon-Neutrinos, die von unten kommen sollten(Erddurchquerer)

Erklrung:

diese Muon-Neutrinos oszillieren in einenanderen Neutrino-Typ (z.B. Tau-Neutrinos)Muon-Neutrinos werden von kosmischenStrahlen in der oberen Atmosphre undnachfolgendem Pion- und Muon-Zerfall erzeugt.TEILCHENSPEKTRUMNeutrino Oscillations

~810-5 eV2~ 2.510-3 eV21999Neutrinos besitzen eine MasseMan kennt zwar ihre absolute Masse nicht (der Limit fr das Elektron-Neutrino ist ca. 3 eV), aber man kennt die Massendifferenzen.TEILCHENSPEKTRUMDAS STANDARD MODEL (heute)

190019101920193019401950196019701980199020002010FelderTeilchenElektro-magnetismusSpezielle RelativittQuantenmechanikWelle-Teilchen DualismusSpin/Fermion-BosonAntimaterieW BosonsQEDMaxwellSUSYHiggsSuperstringsUniversumNewtonKinetischeGastheorieBrownsche BewegungAllgemeine RelativittBig BangNukleosyntheseInflationAtomKerne-p+nTeilchen-zoou -edsc--btGalaxien; Ausdehnung des UniversumsKernfusionKosmischeHintergrundstrahlungGUT MasseQCDFarbladungDunkle EnergieDunkle MaterieWZgPhotonSchwacheWWe+p-Fermi TheorieYukawa AustauschBoltzmannRadio-aktivittTechnologienGeigerWolkenBlasenkammer ZyklotronDetektorBeschleunigerHhen-strahlungSynchrotrone+e- Ringp+p- RingStrahlkhlungVieldrahtkammerProzessrechnerWWWGRIDModerneDetektorenP, C, CP VerletzungSTANDARD MODELEW Vereinigung3 TeilchenfamilienInhomogenitt der Hintergrundstrahlung(COBE, WMAP)189519051975ElektromagnetismusStarkeWW?????????????????????

100 GeV1 GeV1 MeV0.01 eV1 TeV161) Wie kommen Teilchen zu ihrer Masse - durch das Higgs Feld ?DIE RTSEL DES 21. JAHRHUNDERTSDIE RTSEL DES 21. JAHRHUNDERTS

Sir Peter HiggsWas ist so besonders am Higgs-Feld?Es fllt das gesamte Universum gleichmssig (seit dem Big Bang)Es gibt jedem Teilchen (auch den neu entstehenden) seine exakte MasseEs ist wie eine kosmische DNS (die Erbinformation des Universums)Eine Party-Gesellschaft ...Das Higgs-Feld ..... ein berhmter Gast will denRaum durchqueren...... ein neues Teilchen wirderzeugt ..... wird aber von den Gstenumringt und kommt nur schwer voran...... das Higgs-Feld macht dasTeilchen schwer ...

DIE RTSEL DES 21. JAHRHUNDERTS

Sir Peter HiggsDas Higgs-TeilchenEin Gercht wird in die Party-Gesellschaft gerufen ...Das Higgs-Feld ..... alle kommen zusammen undtuscheln ber die Nachricht...... erzeugt seine erste Anregung,das Higgs-Teilchen ...

Wichtig:

Es knnte aber auch andere Erklrungen geben, die hnliche Effekte wie das Higgs-Feld erzeugen (z.B. Supersymmetrie)DIE RTSEL DES 21. JAHRHUNDERTSVersuch einer Visualisierung des Higgs-Feldes / Higgs-Bosons

DIE RTSEL DES 21. JAHRHUNDERTSEntdeckung eines neuen Teilchens am LHC (4.7.2012)

FrancoisEnglertPeterHiggsDIE RTSEL DES 21. JAHRHUNDERTSWas genau wurde entdeckt?

Ein neues Teilchen mit einer Masse ~125 GeV, schwerer als W und Z Bosonen, leichter als ein Top Quark

Signifikanz der Entdeckung:ATLAS: 5.9 CMS: 5.0

Ein Boson (Spin 0 oder 2), da es in zwei Photonen zerfallen kann

Noch unklar:

Ist es DAS Standardmodell Higgs-Boson?

Oder ein SUSY Higgs?Dann sollte es mindestens 5 verschiedene Higgs-Teilchen geben (und wir haben nur das erste davon gefunden)

Wir werden Ende 2012 mehr wissen> 1 : 10000002) Supersymmetrie zwischen Teilchen und Feldern ?

Materie-Teilchen (Spin 1/2= Fermion) wechselwirken miteinander durch den Austausch von Feld-Teilchen (Spin 1= Boson).

Alle Teilchen (Elektronen, Neutrinos, Quarks) wechselwirken durch W/Z FeldteilchenTeilchen mit elektrischer Ladung (e.g. Elektronen, Quarks) wechselwirken durch PhotonenTeilchen mit Farbladung (Quarks) wechselwirken durch Gluonen Wenn es eine Supersymmetriezwischen Teilchen und Feldern gibt:

Materie-Teilchen haben einen Feldteilchen-PartnerFeldteilchen haben einen Materie-Teilchen-PartnerSpin 1/2Spin 0, Spin 1electronselectron (S=0)quarksquark (S=0)photinophoton (S=1)gluinogluon (S=1)gaugino (Wino, Zino)W, Z (S=1)Noch nie wurde ein supersymmetrisches Teilchen beobachtet -falls sie existieren, mssen sie eine grosse Masse (>0.5-1 TeV) haben

DIE RTSEL DES 21. JAHRHUNDERTSWarum Supersymmetrie?2) Schutz des (skalaren) Higgs-Bosons (M ~ 102 GeV) vor dem Einfluss von Vakuumfluktuationen (~1019 GeV)3) Vereinigung von elektroschwacher und starke WW bei ~1017 GeV

1) Eine fundamentale Raum-Zeit-Symmetrie4) Mgliche Erklrung der kosmologischen Materie-Antimaterie-Asymmetrie

5) Dunkle Materie ?

Supersymmetrie ist relativ einfach zu berechnen:

==e = electron

e = selectron~ = photon

= photino~Teilchen und Super-Partner lassen sich einfach austauschen

Wir+Planeten+Sterne

SUSY = Dunkle Materie-Teilchen?berbleibsel vom Big Bang?

DIE RTSEL DES 21. JAHRHUNDERTSWas sind Teilchen?Sieht ein Graviton mehr als 3 Raumdimensionen?

Quanten-Gravitation ?

Superstrings in 10 Dimensionen?Sind Teilchen kleine Strings die im 10-dimensionalen Raum vibrieren?Lnge ~10-35 m (Planck Lnge)Verschiedene Schwingungsmoden entsprechen verschiedenen TeilchenGraviton ist im Spektrum enthalten!Aber: Es gibt keine Voraussage, warum und wie die zustzlichen Dimensionenverschwunden sind.Es gibt keine eindeutige Mglichkeit, die Eigenschaften der Teilchen vorherzusagen.

Die Gravitation knnte deshalb so schwach sein weil sich die Gravitation in4 oder mehr Raum-Dimensionen ausbreitet und damit aus unserem 3-dimensionalen Universum entkommt.Kollisionen im LHC knnten dann mikroskopische schwarze Lcher erzeugen.DIE RTSEL DES 21. JAHRHUNDERTSDie Fragen des 21. Jahrhunderts1900 - 2000: Phantastischer Fortschritt im Verstndnis von Materie und UniversumWas sind Teilchen? Sind Quarks und Leptonen wirklich elementar?Was macht die Teilchenfamilien aus? Warum gibt es genau drei?Wo liegt die Verbindung zwischen Quarks und Leptonen (identische Ladung!!)Was ist die dunkle Materie? Was ist dunkle Energie?Wie ist die Antimaterie verschwunden? Was hat die kosmische Inflation ausgelst?Was ist der Ursprung der Naturkonstanten? Was bestimmt ihre relative Grsse?Ist das Leben im Universum ein Zufall?Kann die Natur durch ein einziges Gesetz beschrieben werden?Warum hat das Vakuum eine so geringe Energie?Wir wissen heute woraus die Materie besteht.Wir kennen auch die wichtigsten Etappen in der Entstehung des UniversumsNeue, tiefere Fragen:Die Physik des 21. Jahrhunderts ...