KZO Wetzikon Kosmologie und Teilchenphysik Astronomiefreifach HS 2002/2003 Stefan Leuthold

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Text of KZO Wetzikon Kosmologie und Teilchenphysik Astronomiefreifach HS 2002/2003 Stefan Leuthold

  • Folie 1
  • KZO Wetzikon Kosmologie und Teilchenphysik Astronomiefreifach HS 2002/2003 Stefan Leuthold
  • Folie 2
  • Folie Nr. 2 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Repetition Teilchenphysik Elementarteilchenfamilien Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien
  • Folie 3
  • Folie Nr. 3 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Fermionen und Bosonen Aus den Fermionen besteht die Materie: Quarks (up, down,...) => Hadronen: Baryonen (qqq: Proton, Neutron) Mesonen (qq) Leptonen (Elektron e , Neutrino,...) Bosonen vermitteln die Krfte zwischen den Fermionen: GluonenStarke Wechselwirkung W +, W , Z 0 Schwache Wechselwirkung PhotonenElektromagnetische Wechselwirkung GravitonenGravitation
  • Folie 4
  • Folie Nr. 4 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Fundamentale Teilchen: Fermionen ? LeptonenQuarks updownElektron e Neutrino upcharmtopdownstrangebottom uuctdsbctdsb ElektronMonTauon e ee e e Familie Teilchen Antiteilchen Aufspaltung nach Ladung Aufspaltung nach Art Eingekreist ist die elektrische Ladung des Teilchens in Einheiten der Elementarladung e = 1,60218 10 19 Coulomb. Alle Teilchen einer Familie haben dieselbe elektrische Ladung, aber unterschiedliche Massen, Teilchen und Antiteilchen haben gleiche Masse, aber entgegengesetzte elektrische Ladung. Das Antiteilchen des Elektrons heisst Positron, oft schreibt man e und e +. 2/32/3 - 1 / 3 - 10
  • Folie 5
  • Folie Nr. 5 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Zusammengesetzte Teilchen MesonenBaryonen qqq Hadronen Proton: uud Neutron: udd qqq: Antibaryonen + : ud Pion K+ : us Kaon Hadronen sind Teilchen, welche aus Quarks bestehen und durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten werden (Hadronen heisst die Starken auf griechisch, Wechselwirkungen siehe nchste Folie). Baryonen bestehen aus drei Quarks, Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark. Das Proton mit Ladung 1 besteht zum Beispiel aus zwei up-Quarks und einem down-Quark. qq
  • Folie 6
  • Folie Nr. 6 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Fundamentale Teilchen: Bosonen Fermionen wechselwirken untereinander ber die sogenannten Austauschteilchen oder Bosonen. Wechselwirkung betroffene Teilchen Bosonen Gravitation Elektromagnetische Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung 8 Gluonen g W +, W , Z 0 Photonen Gravitonen Hadronen (linkshndige Komponenten der) Fermionen elektrisch geladene Teilchen Teilchen mit Masse Reichweite 1 fm 10 -3 fm
  • Folie 7
  • Folie Nr. 7 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Grssenverhltnisse AtomKernProton Kern Protonen und Neutronen Quarks 10 -10 m10 -14 m10 -15 m
  • Folie 8
  • Folie Nr. 8 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Repetition Teilchenphysik Elementarteilchenfamilien Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien
  • Folie 9
  • Folie Nr. 9 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Elementarteilchenfamilien Ladung 0 1/31/3 2/32/3 1 1/31/3 2/32/3 1 ee ??? upcharmtop ??? downstrangebottom ??? e ??? Quarks neutrale Leptonen geladene Leptonen 1. Familie2. Familie3. Familie4. Familie5. Familie6. Familie
  • Folie 10
  • Folie Nr. 10 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Bemerkungen zu Teilchenfamilien Isidor Rabi (Nobelpreis) zur Entdeckung des Myons: Wer hat denn das bestellt? es ist berhaupt (noch) nicht klar, weshalb es genau diese Teilchenfamilien gibt. Das Universum wrde anders aussehen, wenn es mehr oder weniger Teilchenfamilien gbe, als es tatschlich gibt (Argument spter)
  • Folie 11
  • Folie Nr. 11 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Repetition Teilchenphysik Elementarteilchenfamilien Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien
  • Folie 12
  • Folie Nr. 12 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Linearbeschleuniger: HF-Kavitt + ee Hochfrequenzkavitt Werden Elektronen auf einer Gerade beschleunigt, bentigt man umso lngere Rhren, je grsser die Endgeschwindigkeit (und damit die Energie in Experimenten) sein soll. Deshalb ist man auf die Idee mit den Kreisbeschleunigern gekommen.
  • Folie 13
  • Folie Nr. 13 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Kreisbeschleuniger: Zyklotron
  • Folie 14
  • Folie Nr. 14 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Kreisbeschleuniger: Synchrotron. Ein elektrisches Feld wird zum Beschleunigen der Teilchen benutzt, ein Magnetfeld hlt die Teilchen auf der Kreisbahn. Da die Teilchen bei jedem Umlauf schenller werden, mssen E-Feld und B-Feld synchron hochgeschraubt werden, damit die Teilchen nicht aus dem Beschleuniger fliegen deshalb der Name Synchrotron.
  • Folie 15
  • Folie Nr. 15 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Geschichtliches ber Beschleuniger Ernest Lawrence: Erstes Zyklotron, 1930. Energie: 80000 eV, Durchmesser: 32 Inches
  • Folie 16
  • Folie Nr. 16 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Tevatron am Fermilab, Chicago. Bestes Zyklontron Energie: Etwa 2000 GeV Durchmesser: 4 Meilen Interessante Mastbe...
  • Folie 17
  • Folie Nr. 17 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Energien im Labor und im Urknall Teilchenbeschleuniger-Experimente finden mit immer besseren Beschleunigern bei immer hheren Energien statt. Bereits mit niederenergetischen Linear- beschleunigern bekommen die Teilchen Energien, welche vergleichbar sind mit den Energien bei der Entstehung der Kerne (sogenannte Nukleosynthese) gemss der Urknalltheorie ( 1 Minute nach dem Urknall). (Eine Energie entspricht einer Temperatur.)
  • Folie 18
  • Folie Nr. 18 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Vereinigung der Wechselwirkungen Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Gravitation Elektroschwache Wechselwirkung Grand Unified Theory (GUT) Theory of Everything (TOE) niedrige Energie 10010 15 10 19 hohe Energie E/GeV Bei gengend hohen Energien vereinigen sich die fundamentalen Wechselwirkungen.
  • Folie 19
  • Folie Nr. 19 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Kosmologischer Beschleuniger? Teilchenbeschleuniger-Energien entsprechen natrlich auch den Energien des Universums wenige Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall: 10 10 Sekunden 100 GeV (CERN, Vereinigung elektromagnetische und schwache Wechselwirkung. Ein Beschleuniger, der an die GUT herankommt, bruchte man Platz bis zu den nchsten Sternen, ein TEO-Beschleuniger wrde die gesamte Milchstrasse fllen.
  • Folie 20
  • Folie Nr. 20 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Repetition Teilchenphysik Elementarteilchenfamilien Schritt von der Kosmologie zur Teilchenphysik Nukleosynthese: Limit Anzahl Teilchenfamilien
  • Folie 21
  • Folie Nr. 21 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Nukleosynthese nach dem Urknall Etwa eine Sekunde nach dem Urknall, bei einer Temperatur von etwa 10 13 K findet die Nukleosynthese statt: Protonen und Neutronen schliessen sich zu Kernen zusammen (vorher zu heiss). Diese Temperaturen entsprechen Energien von Linearbeschleunigern. Mikrowellenhintergrund liefert Daten ber Zeit nach Entkopplung von Strahlung und Materie (etwa 100000 Jahre nach Urknall) nach der letzten Streuung von Photonen an Elektronen bei einer Temperatur von 3000 K.
  • Folie 22
  • Folie Nr. 22 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Urknalluntersuchung im Labor Annahme: Whrend der Nukleosynthese ist die Materie als Nukleonengas behandelbar. Nukleonengas: Protonen werden in Neutronen, Neutronen in Protonen umgewandelt (Stsse mit Elektronen, Positronen, Neutrinos und Antineutrinos). Bei sinkenden Gastemperaturen wird pltzlich ein berschuss an Protonen entstehen, da das Neutron ein wenig schwerer ist als das Proton und deshalb leichter umgewandelt wird.
  • Folie 23
  • Folie Nr. 23 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Urknalluntersuchung im Labor |2 Berechnung: Bei 10 9 K betrgt das Verhltnis Neutronen zu Protonen etwa 1:7. Temperatur nun kalt genug fr Entstehung von Deuterium (Proton-Neutron-Kern). Reaktion von Deuterium mit anderen Protonen und Neutronen => Entstehung Tritium (1 p, 2n), He-3 (2 p, 1 n) => Entstehung He-4
  • Folie 24
  • Folie Nr. 24 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Urknalluntersuchung im Labor |3 He-4 Bindungsenergie sehr hoch => Hufigkeit von He-4 gross
  • Folie 25
  • Folie Nr. 25 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Hufigste Verbindung von Protonen und Neutronen ist He-4 (vorangehende Graphik). Nach He-4 gibt es praktisch keine stabilen Kerne mehr: Die restlichen Elemente sind in Sternen entstanden. => He-4 sollte etwa 25% der gewhnlichen Materie ausmachen. Berechnung der Hufigkeit von He-4 2 Neutronen14 Protonen He-4 Wasserstoffwolken => Sternentstehung => Entstehung der schwereren Elemente durch Kernfusion 1/41/4 3/43/4
  • Folie 26
  • Folie Nr. 26 Astronomiefreifach - Kosmologie und Teilchenphysik. Hufigkeiten/Anzahl Teilchenfamilien Die Hufigkeit der Teilchenarten (wie He-4) hngt ab von Nukleonendichte und Strahlungs- dichte im Weltall. Nun berechnet man die Hufigkeiten bestimmter Elemente in Abhngigkeit von der Nukleonendichte und vergleicht di