Die Welt der Teilchen

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Die Welt der Teilchen

Prof. André SchöningPhysikalisches InstitutUniversität Heidelberg

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Blick in die Tiefe des Universums

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RAUM

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RAUM

ZEIT

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RAUM

ZEIT

MATERIE

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Von Materie ...

7

...zu Elementarteilchen

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Elementarteilchen ?

Alten Griechen

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Atomismums und Vakuum

Platon (ca. 428-348 v. Chr) und Aristoteles (ca. 384-322 v. Chr):

Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft

„Nicht seiendes“ gibt es nicht!

Symmetrie + Äther

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Demokrit (ca. 460-371 v. Chr) und Leukippos (5. Jahrh. vor Chr):

Atomismums und Vakuum

Materie besteht aus unteilbaren Bestandteilen (Atome)

Leerer Raum zwischen den Atomen (Vakuum)

Atomismus + Vakuum

Platon (ca. 428-348 v. Chr) und Aristoteles (ca. 384-322 v. Chr):

Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft

„Nicht seiendes“ gibt es nicht!

Symmetrie + Äther

Moderne Physik lehrt: alle hatten (zumindest teilweise) Recht !

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Struktur der MaterieStreuung von – Teilchen (Heliumkerne) an einer Goldfolie

Hans Geiger + Ernest Marsden 1911-1913

Rutherford Streuformel (Coulomb Potenzial):

Goldfolie

Messung des Streuwinkels

Rate ∝ Z1Z2 e2

4 E 1

sin 4/2

∝1

sin 4/2

Die Goldfolie ist überwiegen leer! (Demokrit)

Schlüsselexperiment!

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Elementarteilchen ?

Alten Griechen

Kollegen (Quantenfeldtheoretiker)

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Quantenfeldtheorie

„Ein Elementarteilchen ist

ein angeregter Quantenzustand

des Quantenfeld-Vakuums“

Physiker-Kollege:

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Quantenfeld-Vakuum = See

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angeregter Zustand = Teilchen

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Quantenphysik

„Ein Elementarteilchen ist diskreter

Zustand (abzählbar), der durch

eine definierte Masse und bestimmten

Quantenzahlen z.B. elektrische Ladung

und Spin charakterisiert ist“

Physiker-Kollege:

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Elementarteilchen ?

Masse

Spin

Ladung

angeregter Zustand

Quanten-Zustand

Vakuum

Äther

Raum + Zeit

Lebensdauer

Symmetrien

unteilbarer Zustand

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Diskreter Zustand

punktförmig (keine Struktur) → nicht weiter teilbar!

abzählbar

ununterscheidbar

e- e- e- e- e- e-

Elektronen

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Teilcheneigenschaften

e- e- e- e- e- e-

Elektronen

Geldstücke

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Teilcheneigenschaften

e- e- e- e- e- e-

definierte (einheitliche) Masse: m = me = 0.511 MeV/c2

definierte elektrische Ladung: Q = - e = 1.6 · 10-1 9 Coulomb

definierten Spin (Drehimpuls): J = ½ ħ

Elektronen

Geldstücke

21

Ununterscheidbarkeit

e- e-

Zeit A Zeit A

22


e- e-

Zeit A Zeit A

e-

e-

Zeit B

Zeit B

23


e- e-

Zeit A Zeit A

e-

e-

Zeit B

Zeit B

24


e- e-

Zeit A Zeit A

e-

e-

Zeit B

Zeit B

25

UnschärferelationWichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik:

Heisenberg'sche Unschärferelation

px⋅ x ≥ ℏ

Impuls pX und Ort x können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden!

(Planck'sche Konstante)

ℏ = 10−34 Js = 10−34 kgm2

sPlanck'sches Wirkungsquantum

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UnschärferelationWichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik:

Heisenberg'sche Unschärferelation

px⋅ x ≥ ℏ

Impuls pX und Ort x können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden!


ℏ = 10−34 Js = 10−34 kgm2

sPlanck'sches Wirkungsquantum

me= 0.511MeVc2

= 0.91⋅10−30 kgElektronen Masse:

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Unschärferelation Beispiel

p e-

?

vy = 0 ± 10 cm/s

y = 0 ± 1 mm

me⋅v y⋅ y ≥ ℏ

ElektronProton

28

Bahndrehimpuls

e-

?

?

?

p

L = p×rLZ 0

LZ = 0

LZ 0

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Quantisierter Bahndrehimpuls

e-p

LZ = ℏ

LZ = 0

LZ =−ℏ

L ist gequantelt! → Wahrscheinlichkeiten

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e-

Doppelspaltexperiment

funktioniert mitLicht (Photonen) undTeilchen (z.B. Elektronen)

Ereignis

Wahrscheinlichkeits-verteilung zeigtInterferenzmuster!

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InterferenzenA = A

1 + A

2

A2

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Wahrscheinlichkeiten

„Gott würfelt nicht“ (Albert Einstein)

Experimente: die Natur würfelt!

P =∗ =∣∣

2

Wahrscheinlichkeit der Beobachtung:

Teilchen werden durch eine komplexe Wellenfunktion beschrieben

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Erste Zusammenfassung

Teilchen

sind punktförmige diskrete Zustände

mit definierter Masse und Quantenzahlen,

die Ausbreitung wird im Rahmen der Quantenmechanik mit Wellenfunktionen beschrieben

Beobachtungen („Ereignisse“) werden durch Wahrscheinlichkeiten beschrieben

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Wechselwirkung von Teilchen

e- e-

Zeit A Zeit A

e-

e-

Zeit B

Zeit B

?

S = 1

35

Wechselwirkung von Fermionen

µ- e-

Zeit A Zeit A

e-Zeit B

Zeit B

?

µ-

Spin =1/2 ħ

Spin-Flip!

S = 1

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µ- e-

Zeit A Zeit A

e-Zeit B

Zeit B

γ

µ-

Spin =1/2 ħ

Austausch-Bosonen(Kraftteilchen)

Photon

Wechselwirkung von Fermionen

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Kraftteilchen (Bosonen) Spin =1 ħ

γPhoton elektro-magnetisch

AustauschkraftTeilchen

Graviton G Massenanziehung

Gluon g Farbkraft (starke WW)

W± , Z0 -Bosonen schwache Wechselwirkung

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Kraftteilchen (Bosonen) Spin =1 ħ

m = 0 ∞

ReichweiteMasse

mG = 0 ∞

mg = 0 ∞

mW

= 80 GeV/c2 10 - 1 8 m

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Unschärferelation

Energie und Zeit

E⋅ t ≥ ℏ

Energie E und Zeit t können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden!


Für eine kurz Zeit t ist die Energie E unscharf

t = 10−26s E ~ 80GeV /c2

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Quantenfeldtheorie

Z W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Vakuum ist ein „See“ aus virtuellen Teilchen

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Quantenfeldtheorie

Z W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

neutron

42

neutron

n

W- Boson

43

Quantenfeldtheorie

W- Boson

neutronneutron

proton

Elektron

Anti-Neutrino

n

p e-

t = 10−26s

44

TeilchenerzeugungKann man gezielt ein W± -Boson oder Z0-Boson aus dem Vakuum erzeugen?

45

TeilchenerzeugungKann man gezielt ein W± -Boson oder Z0-Boson aus dem Vakuum erzeugen?

Ja! Wenn man Energie in Masse umwandelt!

46

Woher kommt das Licht der Sonne?

47


aus Materie!

48


Kernfusion

49


Kernfusion

E0 = mc2

50

Teilchenerzeugung

e-

e+

Positron

Elektron

Z0 -Boson

51

LEP Beschleuniger am CERN1989-2000

e-

e+

Positron

Elektron

Z0 -Boson

e+

e-

52

Ergebnisse e+e- Beschleuniger

Z Resonanz-Peak

53

Standardmodel der Teilchenphysikelementare Teilchen:

strukturlos

punktförmig

3 Generationenvon Fermionen

4 Bosonen (Austauschteilchen)

, Z , W ± , g

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55

Ungelöste Probleme der Teilchenphysik

1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?

56

~72% „Dunkle Energie“ im Universum

~23% „Dunkle Materie“ im Universum

Universum

~4% gewöhnliche Materie (Baryonen, Elektronen, Neutrinos)

57



2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?

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~100% Materie

~0% Antimaterie

Universum

59

60

Antimaterie + Materie ↔ Energie

Proton

Photon

Antiproton

61

Antimaterie + Materie ↔ Energie

Proton

Photon

Antiproton

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Energie ↔ Antimaterie + Materie

Proton

Photon

Antiproton

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Energie ↔ Antimaterie + Materie

Proton

Photon

Antiproton

Wie entsteht eine Asymmetrie?

64




3. Woher kommt Masse vom W± und Z0 ?

65

Woher kommt Masse?

Wie entstehtMasse?

Urkilogramm (Paris)

66

Quantenfeldtheorien

Teilchen werden in Quantenfeldtheorien

durch Quantenfelder ()

beschrieben:

Wahrscheinlichkeiten =

Postulat: zusätzliches skalares Higgs Quantenfeld (Teilchen)

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Der Higgs-Kibble Mechanismus

mexican hut

Brechung der Rotationssymmetrie

skalares Higgs-Feld:

V = − M

2 02 ∗− 0

2 2

0

M

Higgs Feld koppelt an alle bekannten Elementarteilchen Masse

(1964)

Peter Higgs

Higgs Potential

00

68

Die Higgs-Kopplung

V

ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse

0

0

69

Die Higgs-Kopplung


V

0

0

70

Die Higgs-Kopplung


V

0

0

71

Die Higgs-Kopplung


V

0

0

72

Die Higgs-Kopplung


V

0

0

73

Die Higgs-Kopplung


V

0

0

74

Frage des englischen Bildungsminister William Waldegrave 1993

Antwort: von David Miller, University College

Was ist das Higgs-Teilchen und

warum wollen wir es finden?

75

Cocktailparty

Gäste bilden einen „See“ aus Higgs-Teilchen

76

Bekannte Politikerin tritt ein

Der prominente Gast erhält Masse

77

„Heiße“ Nachricht erreicht Party

Gäste lassen sich durch Neuigkeit „anregen“

78

Das angeregte Higgs-Feld hat eine Masse

„Heiße“ Nachricht erreicht Party

79

Was wissen wir über das Higgs?

Masse

Massengrenzen:

114 GeV M H 163 GeV

kann beim Large Hadron Colliderentdeckt werden!

80

Proton - Proton Kollisionen:

7 TeV 7 TeV

~10 km

CERN (Genf)Large Hadron Collider

81

ATLAS Experiment bei LHC(CERN, Genf)

● mehr als 150 Institute● etwa 2500 Kollaborateure● größter Detektor ● Datennahme ab Ende 2009

Untersuchung von Proton-ProtonStreuung bei höchsten Energienvon 14 TeV

82

simulierter Higgs Zerfall bei LHC

e

e

83





4. Struktur und Massen der Fermionen?

84

Masse der Fermionen

Gold

Proton

Top Quark (t):

Neutrinos:

M top = 171 GeV

M ≪ 0.4 eV

= 0.17⋅1012 eV

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Top Quark m = 171 GeV/cTop Quark m = 171 GeV/c22

Neutrinos: m Neutrinos: m ≈≈ 0.01 - 0.1 eV/c 0.01 - 0.1 eV/c22

Verhältnis der Teilchenmassen

Proton: m Proton: m ≈≈ 1 GeV/c 1 GeV/c22

Elektron: m ≈ 0.5 MeV/c2

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4. Struktur und Massen der Fermionen?

5. Was passiert bei hohen Energien? Neue Physik? Überaschungen?

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Proton - Proton Kollisionen:

7 TeV 7 TeV

~10 km

CERN (Genf)Large Hadron Collider

Viel Spass!

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