Auf den Spuren der Elementarteilchen Beschleuniger und Detektoren Z Produktion und Zerfall Teilchenidentifikation Zusammenhang mit Kosmologie Internationaler

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  • Auf den Spuren der Elementarteilchen Beschleuniger und Detektoren Z Produktion und Zerfall Teilchenidentifikation Zusammenhang mit Kosmologie Internationaler Schlerforschungstag, Dresden, 20.3.2007 Michael Kobel
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  • Teilchenphysik = Hochenergiephysik Forscher nutzen Teilchenstrahlen hchster Energie, denn mit steigender Energie E (Impuls p) der Projektile steigt Fhigkeit, kleine Strukturen x zu erkennen x p = (Heisenberg) Fhigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen: E = mc 2 (Einstein)
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  • Wiederholung: ntzliche Einheiten fr Teilchen Gre: 1 fm = 1 Femtometer (Fermi) = 10 -15 m (1 m = 1.000.000.000 fm) Energie: 1 ElektronVolt = 1eV 1 KiloElektronVolt = 1 keV = 1000 eV 1 MegaElektronVolt = 1 MeV = 1.000.000 eV 1 GigaElektronVolt = 1 GeV = 1.000.000.000 eV 1 GeV: viel fr ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: knnte Taschenlampe (1,6 Watt) fr ganze 0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen
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  • Sehen = Abbilden Wurfgescho (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor) Teilchenbeschleuniger als Mikroskope Auflsungsvermgen : Treffgenauigkeit
  • Protonen und Neutronen sind nicht elementar! Indirekte Hinweise: z.B. Ordnungsschema (60er Jahre) Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen Quarks 1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg Ntige Treffgenauigkeit: > 0,2 GeV Resultat: 1 fm
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  • Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Haben Sie auch daheim! Funktionsprinzip: Simulation Simulation Linearbeschleuniger: Fermilab, Chicago (in Betrieb) DESY, Hamburg (in Planung)
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  • Bis 2000: e - e + Vernichtung bei CERN Strahlenergie E e = 40-100 GeV
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  • Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren Elektronische Bilder CERN, Genf, bis 2000
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  • 170 Universitten und Institute aus 35 Lndern Grenvergleich Ab 2007: ATLAS und CMS Experiment, CERN Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlsst bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten
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  • Animationen Ziele: Suche nach Neuem: Higgs Teilchen (was ist berhaupt Masse?) Supersymmetrie ( Dunkle Materie?) nur des Weltalls ist normale Materie zustzliche Raumdimensionen ATLAS (2,9 MB) CMS
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  • 1914 Chadwick -Zerfall: n p + e - Unerwartete Energieverteilung Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino Elektrisch neutraler Partner des Elektrons sehr leicht schwach wechselwirkend (Fermi): 999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet im Universum 366.000.000 Neutrinos / m 3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m 3 Noch ein Elementarteilchen
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  • Zusammenfassung Bausteine Fundamentale Bausteine der Materie: Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d zu Kernen oder Atomen gebunden Neutrino ungebunden Alle punktfrmig ( < 0.001 fm) Welche Krfte halten die Bausteine zusammen? Was ist berhaupt eine fundamentale Kraft ?
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  • Wechselwirkung: Kraftwirkung zwischen Teilchen Verantwortlich fr Teilchen-Zerflle und Produktion 4 fundamentale Wechselwirkungen Gravitation (Schwerkraft) Elektromagnetismus Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Konzept der Wechselwirkungen N S q q p p n n n n p p p p p n n n p p n p n p
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  • Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehrt eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt ber Austausch von Botenteilchen AbstoendAbstoend AnziehendAnziehend
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  • 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
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  • 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 Magnetfelder lenken elektrisch geladene Teilchen ab, umso weniger je hher deren Energie ist (Fadenstrahlrohr)
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  • 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 Hlt p, n und Atomkern zusammen Makroskopisch nicht beobachtbar, auer im radioaktiven -Zerfall Heliumkerne
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  • Ladung: schwache Ladung ( I 1, I 2, I 3 ) Arten: 1 Ladungsart: Zahlentriplett Botenteilchen: W -, Z 0, W + Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I 3 = -1, 0, 1 Masse : m = 80 90 GeV Teilchen Up Down Neutrino Elektron I 3 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 Besonderheiten: Endliche Reichweite ca 0.0025 fm Makroskopisch nicht beobachtbar, auer Brennen der Sonne Radioaktive Umwandlung (Zerfall) des Neutrons Analog: Zerfall des Myons e Die schwache Kraft
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  • Das vollstndige Set der Bausteinteilchen Das 4er Set der 1.Baustein-Generation wiederholt sich genau 2 Mal Niemand weiss warum
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  • Antimaterie Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Ladungsvorzeichen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen knnen paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt knnen Sich diese wieder zu Botenteilchen vernichten, z.B. e + + e - Z 0, am besten wenn 2E e =m Z c 2 m Z 2E e
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  • Z Zerflle Das Z Teilchen ist nicht stabil Wandelt sich nach 3x10 -25 s (!) in andere Teilchen um Z0Z0 e+e- + - qq Zeit Z 0 e+e-e+e-
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  • Zerfallskanle Lcher entsprechen Zerfallskanlen Fr einzelnes Wassermolekl Austrittsloch nicht vorhersagbar Fr einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar Entleerungsdauer absolute Gre der Lcher Zerfallsdauer Strke der Kopplungen an Teilchenpaare Ergebnis: Schwache Wechselwirkung gar nicht so schwach! Verhltnis der Austrittsmengen Grenvergleich der Lcher Verhltnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten Grenvergleich der Kopplungen Z0Z0 e+e- + - qq Aufgabe fr heute nachmittag!
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  • Ergebnisse hochaktuell Verffentlicht in Physics Reports, Mai 2006
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  • Teilchenidentifikation = Detektivarbeit feststellbare Teilcheneigenschaften: aus Quarks (Hadronen) elektr. geladen / ungeladen leicht / schwer Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlsst bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten
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  • Schnitt durch einen Sektor des CMS Detektors Teilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen Press escape to exit
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  • Detektorverhalten Mehr Durchschlagskraft fr: - schwere Teilchen - schwchere Wechselwirkung
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  • Zusammenfassung Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Krfte zwischen Teilchen Sie erklren auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren Sowie die Bildung von Hadronjets aus Quarks Hadronen Pion Myon
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  • Einzelne Quarks ergeben Hadronen Jets e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e p 800 GeV
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  • Zusammenhang Kosmologie - Teilchenphysik frhes Universum: Temperatur 10 15 K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV alle Teilchen kollidieren unkontrolliert gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV
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  • Auf der Suche nach der Weltformel heutige experimentelle Grenze
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  • Schlussbersicht