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MasterclassesHands-on Particle Physics
- Technische Universität Dresden -Montag, 21. Juni 2010
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
08.30 – 10.30 Uhr Einführung
10.30 – 11.00 Uhr Pause und Fragen
11.00 – 12.00 Uhr Datenanalyse
12.00 – 12.15 Uhr Auswertung
Ablauf des Tages
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09
Einführung Elementarteilchen
• Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik?
Zum Aufbau der Welt? Zum Universum?
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Warum Elementarteilchenphysik??
• Welches sind die kleinsten Bausteine (fundamentalen Teilchen)?
• Welche Kräfte halten alles zusammen?
• Gibt es eine einfache, einheitliche Beschreibung für
das Ganze?
• Woraus bestehen wir und unsere Welt?
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Aufbau der Materie – Das Standardmodell
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Aufbau der Materie – Das Standardmodell
Sichtbare Materie
-
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Aufbau der Materie – Das Standardmodell
Sichtbare Materie
- - -
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Aufbau der Materie – Das Standardmodell
Sichtbare Materie
- - -
El. Ladung
+2/3
-1/3
0
-1
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Aufbau der Materie – Das Standardmodell
Sichtbare Materie
- - -
El. Ladung
+2/3
-1/3
0
-1+++
El. Ladung
-2/3
+1/3
0
+1
Antimaterie
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• Woher weiß man das?
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Nützliche Einheiten für Teilchen
• Größe:1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m(1 mm = 1.000.000.000.000 fm)
• Energie:1 ElektronVolt = 1eV
• 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig:könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen
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Teilchenphysik = Hochenergiephysik?
2/ ΔpΔx
E=mc²
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• Sehen = Abbilden
Abbilden = Struktur auflösen(funktioniert auch ohne Licht!)
Teilchenbeschleuniger als Mikroskope
• „Auflösungsvermögen“ : Treffgenauigkeit << Größe der StrukturenProjektilgröße << Größe der Strukturen
• Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV)
Beispiel:0,2 µm bei E = 1 eV 200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV 0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV
>0,15µm
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Unbekanntes Objekt in einer Höhle
• Projektil: Basketbälle
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• Projektil: Tennisbälle
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• Projektil: Murmeln
...Nichts wie weg !
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• Habt ihr auch daheim!
• Funktionsprinzip:
• Linearbeschleuniger: DESY (Hamburg)
Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger
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Bis 2000: e-e+ bei LEP (CERN)
Strahlenergie
Ee= 40-100 GeV
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Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren
• Elektronische Bilder
CERN, Genf, bis 2000
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Die nächste Generation:Der Large Hadron Collider LHC
Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen
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LHC Energie
• Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ
Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs
120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h
Nadelöhr:0.3 mm Durchmesser
Protonstrahlen am Kollisionspunkt:0.03 mm Durchmesser
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Bilder vom LHC
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170 Universitäten undInstitute aus 35 Ländern
TU Dresden: ATLAS Experiment
Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten
Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten
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Ziele: Suche nach Neuem
• Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?)• Supersymmetrie (Dunkle Materie?)
nur 5% des Weltalls ist „normale“ Materie • zusätzliche Raumdimensionen
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Zusammenfassung Bausteine
• Fundamentale Bausteine der Materie:
– Alle punktförmig • Welche Kräfte halten die
Bausteine zusammen?• Was ist überhaupt eine
fundamentale Kraft ?
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Allgemein: – Kraftwirkung zwischen Teilchen– Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion
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Die 4 Kräfte- Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen -
Prinzip von Kraftwirkungen
• Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung• Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung• Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen
Abstoßend Anziehend
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Was ist eigentlich eine Ladung?
• Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens
• Additiv:
Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B)
• Kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vor
• Ladung ist erhalten,
d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren
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21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
Die 4 Kräfte
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
Die 4 Kräfte
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
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Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
Die 4 Kräfte
Kernzerfälle, Radioaktivität,
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
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Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
Die 4 Kräfte
Kernzerfälle, Radioaktivität,
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
Kosmos, Planetensysteme, Galaxien?
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
1) Elektromagnetische Kraft
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Trägt selbst keine Ladung➔ Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r2 ab)● Koppelt an elektrische Ladung
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● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Trägt selbst keine Ladung➔ Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r2 ab)● Koppelt an elektrische Ladung
1) Elektromagnetische Kraft
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
Ein Ladungstyp mit zwei Zuständen: Ladung und Antiladung
“plus” “minus”
+ - Ladung 0
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Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
2) Starke Kraft
● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Koppelt an starke Farbladung● Trägt selbst starke Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
2) Starke Kraft
● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Koppelt an starke Farbladung● Trägt selbst starke Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
2) Starke Kraft
● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Koppelt an starke Farbladung● Trägt selbst starke Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau
0
00
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Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
2) Starke Kraft
● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Koppelt an starke Farbladung● Trägt selbst starke Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau
0
00
00
2) Starke Kraft
Beispiel: Proton
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau
0
00
00
2) Starke Kraft
Proton
Farbneutral
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau
0
00
00
2) Starke Kraft
Proton
Farbneutral
+2/3 +2/3
-1/3Elektrische Ladung = +1
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau
0
00
00
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
3) Schwache Kraft
Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion
● W
+, W- und Z0 Boson➔Hohe Masse (80 – 90 GeV)●
Tragen selbst schwache Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
3) Schwache Kraft
Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion
• Ein Ladungstyp: I3
• Tragen alle Bausteinteilchen
z.B. Betazerfall:
● W
+, W- und Z0 Boson➔Hohe Masse (80 – 90 GeV)●
Tragen selbst schwache Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
3) Schwache Kraft
● W
+, W- und Z0 Boson➔Hohe Masse (80 – 90 GeV)●
Tragen selbst schwache Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen
Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion
Unterdrückung der effektiven Kopplung
• Ein Ladungstyp: I3
• Tragen alle Bausteinteilchen
z.B. Betazerfall:
Scientific American, 1997
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Die Massen der Elementarteilchen
Woher kommen die Teilchenmassen?
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Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich.
Großer Forschungsschwerpunkt am LHC!
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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 vernichten, z.B.e+ + e- Z0 , am besten wenn 2Ee=mZc2
mZ 2Ee
Z “Zerfälle“
• Das Z Teilchen ist nicht stabil• Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere
Teilchen um
Z0
e+e-
+-
Zeit
Z0 Z0
e+
e-
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Zerfallskanäle
• Löcher entsprechen „Zerfallskanälen“• Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht vorhersagbar
Für einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar Entleerungsdauer ~ absolute Größe der Löcher
Zerfallsdauer ~ Stärke der „Kopplungen“ an Teilchenpaare Ergebnis: „Schwache Wechselwirkung“ gar nicht so schwach!
• Verhältnis der Austrittsmengen ~ Größenvergleich der LöcherVerhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten ~ Größenvergleich der
Kopplungen
Z0
e+e-
+-
Aufgabe für danach!
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Ergebnisse hochaktuellVeröffentlicht inPhysics Reports,
Mai 2006
Teilchenidentifikation = Detektivarbeit
• feststellbareTeilcheneigenschaften:– aus Quarks („Hadronen“)– elektr. geladen / ungeladen– leicht / schwer
• Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten
• Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten
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Detektorverhalten
„Teilchen-Jet”
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Zusammenfassung • Die unterschiedlichen Ladungen
bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen
• Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren
Hadronen
PionMyon
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Schnitt durch einen Sektor des CMS DetektorsTeilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen
Press “escape” to exit
Zusammenhang mit Entwicklung des Universums
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Für die ganz Neugierigen
BACKUP
• Ändern von mu ,md oder me hätte
– kaum Effekt auf Atommassen – kaum Effekt auf Materiedichte – riesigen Effekt auf Verhalten der Materie
• Erniedrige mW auf die Hälfte
– Sonne brennt viel zu schnell f. Evolution d. Lebens
• Erniedrige md – me um 1 MeV/c2
– ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs
– keine Wasserstoff-Atome, n stabil
• Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2
– Proton- und Deuteriumzerfall– Keine Sterne– nur neutrale Teilchen (n, ...)
Die Bedeutung der Teilchenmassen
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die Bedeutung der Teilchenmassen
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Tatsächlicher Ablauf
Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse
Kleinere W-Masse
Die Bedeutung der Teilchenmassen
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Tatsächlicher Ablauf
Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse
Kleinere W-Masse
Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich.
Großer Forschungsschwerpunkt am LHC!
Auf der Suche nach der „Weltformel“
heutigeexperimentelle
Grenze
Fortschritt der PhysikZurück zum Urknall
Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets• e-p Kollisionen bei HERA am DESY
30 GeV e ¯ p 800 GeV
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frühes Universum: Temperatur 1015 K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV
alle Teilchen kollidieren unkontrolliert
gezielte, kontrollierteeinzelne Kollisionenund deren Aufzeichnung
Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV
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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
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Ein Blick in den Tunnel
• Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu– Strukturen und Abständen von 10-19 Metern– Massen auf der Teraskala (E = mc2 = 1TeV)– Entwicklung des Universums nach dem Urknall
von 0,000.000.000.001 s bis 0,000.01 s
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primäres Teilchen trifft auf
Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe
Atmosphär
e
e
e
Fuji
3776
m
np
p,
He, ...
e
Entdeckt: 1937-1947
wie e, nur 200x schwerer
mehrere Teilchen-Familien!
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow
Die 4 Detektoren am LHC