HighHeels@HighEnd Wien , 13. Okt . 2011

HighHeels@HighEnd, Okt. 2011

HighHeels@HighEndWien, 13. Okt. 2011

Claudia-Elisabeth WulzInstitut für Hochenergiephysik der ÖAW c/o CERN, Genf

WIMPS, MACHOS, CHARM und STRINGS


C.-E. Wulz 2

Teilchenphysikerin

• am CERN bei Genf

• angestellt beim Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften

• Dozentin an der

Technischen Universität Wien

Vorstellung


Wie und wann ist das Universum entstanden? Wie wird es sich weiter entwickeln?

Woraus besteht es?Welche Kräfte wirken zwischen seinen Bestandteilen?

Zusammenhang zwischen Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie ->ASTROTEILCHENPHYSIK


Einige konkrete offene Fragen

HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 4

• Warum hat das Universum Substanz? -> Higgs-Teilchen

• Woraus besteht das Universum? -> Wir kennen nur 4% (Quarks, Leptonen), Rest ist dunkle Materie und dunkle Energie.

• Wie muss das Standardmodell der Teilchenphysik erweitert werden? -> Supersymmetrie, Stringtheorie?

• Gibt es zusätzliche Raumdimensionen? -> Gravitation

• Können alle Kräfte vereint werden -> gibt es eine “Weltformel”?


Teilchenbeschleunigerz.B. LHC, RHIC, KEK-B

Undergrundlaboratorien und -experimentez.B. Gran Sasso, Kamiokande, IceCube

Raumsondenz.B. FERMI, Hubble, Planck

Terrestrische Teleskopez.B. ALMA, VLT

Experimente an Kernreaktoren oder mit radioaktiven Quellenz.B. KamLAND, Double-CHOOZ,Katrin, Atominstitut

KamLAND

Anlagen zur Beantwortung dieser Fragen

Experimente mit kosmischen Strahlenz.B. Auger

Gran Sasso

Auger

Hubble

Very Large Telescope (VLT)

LHC


Bausteine der Materie• Die bekannte

Materie besteht aus ATOMEN

• Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen

• Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks

• Protonen und Neutronen gehören zu den Hadronen

Protonen

Neutronen

Elektronen

C.-E. Wulz 6

QuarksLepton

uud = Protonudd = Neutron

Bausteine für alles Bekannte z.B. Menschen, Planeten, …

up

down Elektro

n

C.-E. Wulz7


Vor 13.7 Milliarden Jahren gab es mehr Teilchen im Universum als jetzt …

up

down

charm

strange

top

bottom

Elektron Müon Tau

Elektron-Neutrino

Müon-Neutrino Tau-Neutrino

Quarks Leptonen

C.-E. Wulz8


In einem Beschleuniger wie dem LHC können all diese Teilchen neu erzeugt werden.


Proton Antiproton


Abgeschaltet Ende Sep. 2011, Entdeckung des Top-Quarks 1995

Tevatron

HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 10 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011

Entdeckung des Charm-Quarks

Mark-II DetektorStanford, Kalifornien

BurtonRichter

Samuel Ting, Brookhaven, NY

1976J/psi (cc)

_

Quarks

Leptonen

Kräfte

StandardmodellHighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 11


Die fundamentalen Kräfte

KRAFT RELATIVE STÄRKE

REICHWEITE VERMITTLER

Stark 1 10-15 m Gluonen

Schwach 10-6 10-18 m W, Z

Elektromagnetisch 10-2 unendlich Photon

Schwerkraft 10-38 unendlich Graviton

C.-E. Wulz 12


• Ohne Higgs-Mechanismus wären alle Teilchen des Standardmodells masselos.

• Masse entsteht erst durch die Wechselwirkung mit einem (hypothetischen) Higgs-Feld.

• Das gesamte Universum ist von diesem Higgs-Feld durchdrungen.

• „Schwingungen“ in diesem Higgs-Feld erscheinen als Higgs-Teilchen, dessen Nachweis am LHC / CERN gelingen soll. Die Masse des Higgs-Teilchens ist a priori nicht bekannt, aber alles deutet darauf hin, dass es relativ leicht ist.

Erzeugung von Masse durch Higgs-Mechanismus

C.-E. Wulz 13

• Eine eventuelle Nichtexistenz des Higgs-Teilchen kann vermutlich noch heuer bestätigt werden.

• Eine gesicherte Entdeckung sollte 2012/2013 möglich sein.


LHC und die Experimente

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CMS-Experiment

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Sep. 2011C.-E. Wulz 16

H -> eemm candidate


(Prof. Peter) Higgs im ATLAS-Experiment



Ein Vergleich der Rotationsgeschwindigkeiten von Sternen nahe dem Zentrum von Spiralgalaxien und weiter außen liegenden Sternen ergibt, daß die Geschwindigkeiten weiter außen nicht mit den Gesetzen der Mechanik kompatibel sind.

Dunkle Materie

C.-E. Wulz 18C.-E. Wulz 18 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011

Auch müssten aufgrund der hohen Temperatur viele Sterne auseinander fallen, wenn nicht zu-sätzlich zur sichtbaren Masse noch Masse aus dunkler Materie vorhan-den wäre.

Vera Rubin

FritzZwicky

HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 19C.-E. Wulz 19 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011

Kollision der zwei Galaxien im Bullet Cluster (2006)

Die normale Materie (rot) wird abgebremst, während die dunkle Materie (blau, sichtbar gemacht) sich ungehindert weiterbewegt.

Erster direkter Nachweis der dunklen Materie


WIMPS (weakly interacting massive particles, MACHOS (massive astrophysical compact halo objects), … ?

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Was ist die dunkle Materie ?

… Verbindung von Astrophysik und Teilchenphysik!

Supersymmetrie sagt ein Teilchen voraus, das ein WIMP sein könnte: das leichteste Neutralino

MACHOS sind astronomische Objekte aus normaler (baryonischer) Materie wie:Braune und weiße Zwerge (z.B. Supernovae Ia)Neutronensterne (Kollaps nach Supernova-Explosion)Schwarze Löcher HighHeels@HighEnd, Okt. 2011


Suche nach WIMPSSuche nach Neutralinos (ATLAS, CMS am LHC)

Streuung von WIMPS an Atomkernen (Experimente Edelweiss, CDMS, DAMA, …)

Neutrinos sind nach heutigem Wissen nicht Bestandteil der dunklen Materie, obwohl sie nicht masselos sind.

Germanium-Detektor

ATLAS


Beobachtungen von Supernovae ergaben, daß eine mysteriöse Kraft -dunkle Energie - das Universum immer schneller auseinander treibt!

Relative Entfernungentferntnahe

Rel

ativ

e Li

chtin

tens

ität

nie

drig

ho

ch

BeschleunigteAusdehnung

GebremsteAusdehnung

Supernova 1987A

Spektrallinien der Sonne

Spektrallinien einerentfernten Galaxie

Rotverschiebung

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2011

Entdeckung der dunklen Energie (1998)Saul Perlmutter, Brian Schmidt, Adam Riess


Entwicklung des Universums

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URKNALL

G

RÖ

SZ

E D

ES

UN

IVER

SU

MS

ZEIT

HEUTE (13,7 Milliarden Jahre) ZUKUNFT

KONSTANTEDUNKLE ENERGIE

ENDKNALL

KOLLAPS



Quantentheorie

Die Teilchenphysik folgt den Gesetzen der Quantentheorie.

Klassisches Bild: Elektronen bewegen sich auf festen Bahnen um den Atomkern

Quantentheoretisches Bild: Elektronen haben bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeiten

Jedoch: Die Gravitation passt nicht in die quantenmechanische Welt!


Stringtheorie

Elektron Up-Quark Higgs Photon Graviton

Die Stringtheorie vereint alle Teilchen und alle Kräfte (auch die Gravitation) in einem einzigen Objekttyp, dem String. Wie Saiten können Strings verschieden vibrieren.

Kurz nach dem Urknall war die Materie auf kleinstem Raum vereint und die Kräfte waren alle gleich. Stringtheorie ist nötig, wenn wir wissen wollen, was bei ca. 10-42 s nach dem Urknall geschah.


Unser bekanntes Universum: 3 Raumdimensionen + 1 ZeitdimensionStringtheorie: mindestens 9 + 1 Dimensionen

2. Dimension: aufgerollt

Seiltänzer: 1 Dimension

Ameise: 2 Dimensionen

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Extradimensionen


Extra-Dimension

Gravitation

unser 3+1-dimensionalesUniversumGravitation

Gravitation scheint 10-38 mal so schwach im Vergleich zur starken Wechselwirkung -> schwer vereinbar mit anderen Kräften!Mögliches Modell: • Bekannte Teilchen leben im 3+1-dimensionalen

Universum (Brane)• Gravitation lebt in einem höherdimensionalen

Universum (Bulk)• Extra-Dimensionen sind aufgerollt mit Radius R

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Gravitation und Extradimensionen


Wenn die Gravitation bei kleinen Distanzen stark wird, kann der LHC auch (Mini-) Schwarze Löcher (Ø 10-18m) produzieren!

Sie sollten jedoch durch quantenmechanische Effekte sehr schnell (~10-35s) verdampfen (Hawking-Strahlung), unter Erzeugung aller möglichen Standardmodellteilchen.Bisher wurden jedoch keine Schwarzen Löcher gefunden.

Schwarze Löcher



Zusammenfassung

In den letzten Jahrzehnten wurde das Verständnis der Physik entscheidend verbessert.

Jedoch …. viele Antworten auf fundamentale Fragen fehlen noch!

Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie müssen gemeinsam zu ihrer Beantwortung beitragen.

Der Large Hadron Collider ist ein wichtiges Werkzeug. Die “Entdeckungsphase” hat bereits begonnen.

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