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Auf der Suche nach den kleinsten Bausteinen
• Erkennen von kleinsten Strukturen• Beschleuniger und Detektoren• Die kleinsten Bausteine• Fundamentale Kräfte und Ladungen• Zusammenhang mit Kosmologie
Herbstakademie, 8.10.2001Michael Kobel
Höhenstrahlung• Reaktionsprodukte (primärer)
kosmischer Strahlung• Erdoberfläche:
Einige 100 Teilchen pro Quadratmeter in jeder Sekunde
• Meist Myonen ()
• Was sind eigentlich Myonen ?
• Bestehen sie aus anderen Teilchen ?
• Was wird aus Ihnen ?• Kommen sie in Materie
vor?• Was sind überhaupt die
kleinsten Bausteine der Materie?
Griechische Philosophie• Elemente und Kräfte: 500-430 v.Chr.
Empedokles– Vier Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft– Zwei Urkräfte: Liebe , Haß Mischung , Trennung
• Symmetrien: 427-347 v.Chr. Platon– Symmetrische Körper: Schönheit der Gesetze
• Kleinste Bausteine: 460-371 v.Chr. Demokrit– Atome: verschiedene Formen und Gewichte– Leere: Verbindung und Bewegung im Nichts
Besser als Philosophieren: Experimentieren
• bloßes Auge: ~ 1mm
Immer noch keine Bausteine sichtbar
Wie groß sind die eigentlich ?
• Auge plus Lupe: ~1/10 mm10 fach vergrößert
• Auge und Mikroskop: ~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer)1000 fach vergrößert
Messung der Größe eines Ölsäure Moleküls• Löse 0.6ml Ölsäure in 1l
Alkohol 0.06%ige Lösung
• Verteile 1 Tropfen (ca 0.02 ml) auf Wasseroberfläche
Volumen der Ölsäure:1.2 * 10-11 m3 = (0,23 mm)3
monomolekulare Schicht• Molekülgröße =
Volumen / Oberfläche Anzahl der Moleküle:
~ 1016 = 10.000.000.000.000.000
• In einer Kette aufgereiht:~ Erde – Mond (380 000 km)C18H34O2
• Was heisst überhaupt „sehen“ ?• Sehen = Abbilden
Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor)
Wie kann man 0.001 µm „sehen“?
• Wichtig: „Auflösungsvermögen“ : Fähigkeit, Strukturen einer bestimmten Größe zu erkennen• Dazu nötig:1. Größe der Projektile << Größe
der Strukturen2. Treffgenauigkeit << Größe der
Strukturen
Einschub: nützliche Einheiten für Teilchen• Größe:
1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m(1 µm = 1.000.000.000 fm)
• Energie:1 ElektronVolt = 1eV
1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 1.000.000 eV1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 1.000.000.000 eV
• 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig:könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen
Treffgenauigkeit• Quantenmechanische Eigenschaft eines Teilchens• Hat *keine* Entsprechung in unserer Erfahrungswelt
(Notbehelf: Wellenbild, *sehr* irreführend)• Grundregel (für hochenergetische Teilchen):
Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV)zum Beispiel:0,2 fm bei 1 GeV = 1000 MeV200 fm bei 1 MeV = 1000 keV 0,00001 µm = 10.000 fm bei 20 keV 0,1 µm bei 2 eV 0,2 µm bei 1 eV
>0,15µm
Mögliche Projektile für Strukturen < 0.001 µm• Sichtbare Lichtteilchen (!) (!) (Photonen bei 0.25-0.5
eV) Punktförmig (< 0.001 fm)Treffgenauigkeit: 0.8 µm – 0.4 µm („Wellenlänge“)
• Röntgenstrahlen (Photonen bei 20 keV) Punktförmig (< 0.001 fm)Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius)Abbildung schwierig, da nicht fokussierbar
• Elektronen bei 20 keVPunktförmig (< 0.001 fm)Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius (!) (!) )
• Protonen bei 2 GeV Größe: 1 fmTreffgenauigkeit: 0.1 fm (~ 1/10 Protonradius)
• ...
Die Struktur des Atoms• Beschuss mit Heliumkernen
Größe: 1.5 fm, Treffgenauigkeit: 1 fm• 1911 Rutherford: auf Goldfolie
Atomdurchmesser: 100.000 fmHarter Kern: 5 fm(Kern : Atom) wie (Kirsche : Fußballfeld)
• 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff Beobachtung einzelner Protonen
• 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium Beobachtung einzelner Neutronen• kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen• umgeben von riesiger Elektronenhülle
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
Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger
• Haben Sie auch daheim!
• Funktionsprinzip:Simulation
• Linearbeschleuniger: • Fermilab, Chicago (in
Betrieb)• DESY, Hamburg (in
Planung)
Teilchenidentifikation = Detektivarbeit
• Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten
• Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten
Zusammenfassung Bausteine
• Fundamentale Bausteine der Materie:– Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d– Alle punktförmig ( < 0.001 fm)
• Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen?
• Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?
• Wechselwirkung: – Kraftwirkung zwischen Teilchen– Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und
Produktion
• 4 fundamentale Wechselwirkungen
– Gravitation (Schwerkraft)
– Elektromagnetismus
– Schwache Wechselwirkung
– Starke Wechselwirkung
Konzept der Wechselwirkungen
N
S
q q pp
nn
nnp
pppp
n
n np
pnpnp
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?• Eine Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens• Ladungen sind Additiv:
Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B)• Ladungen kommen nur in Vielfachen einer
kleinsten Ladungsmenge vor• Ladung ist erhalten,
d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren
Mehr wissen wir (noch) nicht
Die elektromagnetische Kraft• Ladung: elektrische Ladung Q• Arten: 1 Ladungsart: „Zahl“, positiv oder negativ• Botenteilchen: Photon• Eigenschaften: elektrisch neutral: Q=0
masselos : m=0• Teilchen Up Down Neutrino Elektron
Ladung +2/3 -1/3 O -1• Besonderheiten:
– Unendliche Reichweite– Makroskopisch beobachtbar (Versuch)– Magnetfelder lenken elektrisch geladene
Teilchen ab,umso weniger je höher deren Energie ist (Versuch)
Die starke Kraft
• Ladung: starke Ladung • Arten: 3 Ladungsarten: „Farbe“,
plus jeweilige Antifarbe• Botenteilchen: 8 Gluonen• Eigenschaften: tragen selber je 1 Farbe und
Antifarbe masselos : m=0
• Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung r, b, g r, b, g - -
• Besonderheiten:– Endliche Reichweite ca 1 fm– Hält p, n und Atomkern zusammen– Makroskopisch nicht beobachtbar,
außer radioaktiver Zerfall Heliumkerne (Versuch)
Die schwache Kraft• Ladung: schwache Ladung (I1, I2, I3)• Arten: 1 Ladungsart: „Zahlentriplett“• Botenteilchen: W-, Z0, W+ • Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I3
= -1, 0, 1 Masse : m = 80 – 90 GeV
• Teilchen Up Down Neutrino Elektron I3 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2
• Besonderheiten:– Endliche Reichweite ca 0.0025 fm– Makroskopisch nicht beobachtbar, außer
• Brennen der Sonne• Radioaktiver Zerfall des Neutrons• Analog: Zerfall des Myons µ e
Das Neutrino „Geisterteilchen“
• Postuliert 1931, elektr. neutraler Partner des Elektrons
• Extrem kleine Masse (< 1 / 1.000.000.000 Elektronmasse)
• Sehr schwache Wechselwirkung(kann ohne Wechselwirkung die Erde durchfliegen)
• Nachweis 1956: von 1012 Reaktorneutrinos pro Sekunde und mm2
nachgewiesen in 10 Kubikmeter Wasser : 3 pro Stunde
• 400 Neutrinos / Kubikzentimeter überall im Universum
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 (Energie) vernichten
Zusammenfassung „Kräfte“• Die unterschiedlichen Ladungen
bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen
• Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren
• Sowie die Bildung vonTeilchenjets aus Quarks
Das vollständige Set der Bausteinteilchen
• Das 4er Set der „1.Baustein-Generation“ wiederholt sich genau 2 Mal
• Niemand weiss warum
Zusammenhang Teilchenphysik - Kosmologie
heißes Universum
alle Teilchen haben hoheEnergie (Temperatur)und kollidieren unkontrolliert
gezielte, kontrollierteeinzelne Kollisionenund deren Aufzeichnung
Teilchenkollision bei hohen Energien
Alter Temperatur Energie Größe
10-43 s 1032 K 1019 GeV Nadelspitze10-36 s 1028 K 1015 GeV Tennisball
10-24 s 1022 K 109 GeV 50 km
10-14 s 1017 K 10000 GeV wie Sonne
10-10 s 1015 K 100 GeV10-6 s 1013 K 1 GeV wie Sonnen
-system1s 1010 K 0.001 GeV 1 Lichtjahr
1 min 109 K 0.0001 GeV 50 Lichtjahre
1 Jahr 106 K 0.0000001 GeV wie Milch-straße
100.000 Jahre 10.000 K 1 eV 1 MillionLichtjahre
heute 3 K 10-4 eV 10 MilliardenLichtjahre
Rückblick zum Urknall
durchExperimentegesichert
im Bereich von Theorien