TEILCHENPHYSIK UND KOSMOLOGIE Rolf Landua CERN im 20. Jahrhundert

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Text of TEILCHENPHYSIK UND KOSMOLOGIE Rolf Landua CERN im 20. Jahrhundert

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  • TEILCHENPHYSIK UND KOSMOLOGIE Rolf Landua CERN im 20. Jahrhundert
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  • ber 50 Physik - Nobelpreise Breiter berblick ber die wichtigsten Entdeckungen und die Zusammenhnge In drei Vortrgen werden etwa 100 Jahre an Ideen, Theorien und Experimenten an Ihnen vorbeiziehen.
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  • Zu Beginn des 20. Jahrhunderts glaubten die meisten Physiker, dass die gesamte Physik erforscht ist und durch die Mechanik, Thermodynamik, und die Maxwell-Theorie des Elektromagnetismus vollstndig beschrieben wird. Da es nun nichts mehr Neues in der Physik zu entdecken gibt, verbleibt uns nur die Aufgabe, alles noch prziser zu messen (Lord Kelvin, 1900) William Thomson (Lord Kelvin) British Association for the Advancement of Science Die Wolken am Horizont der Physik: 1) Atomistik der Materie? 2) Spektrum der Hohlraumstrahlung? 3) Michelson-Morley Experiment? Die Wolken am Horizont der Physik: 1) Atomistik der Materie? 2) Spektrum der Hohlraumstrahlung? 3) Michelson-Morley Experiment?
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  • Niemand hatte die geringste Vorstellung von den unglaublichen Entdeckungen der nchsten 100 Jahre. Universum = Sonnensystem und die Milchstrasse Nichts war ber Atome, ihre Struktur, und Atomkerne bekannt Man kannte zwei Felder: Elektromagnetismus und Gravitation Niemand wusste wie unsere Sonne ihre Energie produziert 1900: Was ist Universum - was ist Materie ?
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  • 19001910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 FelderTeilchen Elektro- magnetismus Spezielle Relativitt Quantenmechanik Welle-Teilchen Dualismus Spin/Fermion-Boson Antimaterie W Bosons QED Maxwell SUSY Higgs Superstrings Universum Newton Kinetische Gastheorie Brownsche Bewegung Allgemeine Relativitt Big Bang Nukleosynthese Inflation Atom Kern e-e-e-e- p+p+p+p+ n Teilchen- zoo u - - - - eeee ds c ---- ---- b t Galaxien; Ausdehnung des Universums Kernfusion Kosmische Hintergrundstrahlung GUT Masse QCDFarbladung Dunkle Energie Dunkle Materie WZ g Photon Schwache WW +e++e+ -p--p- Fermi Theorie Yukawa Austausch Boltzmann Radio- aktivitt Technologien Geiger Wolken Blasenkammer Zyklotron DetektorBeschleuniger Hhen- strahlung Synchrotron e + e - Ring p + p - Ring Strahlkhlung Vieldrahtkammer Prozessrechner WWW GRID Moderne Detektoren P, C, CP Verletzung STANDARD MODEL EW Vereinigung 3 Teilchenfamilien Inhomogenitt der Hintergrundstrahlung( COBE, WMAP) 1895 1905 1975 Elektromagnetismus Starke WW 1
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  • TEILCHEN J.J. Thomson e-e-e-e- Kathodenstrahlexperimente (~ TV) Elektroden D+E : Elektrisches Feld Spulen: Magnetfeld 1897 Kathodenstrahlen* sind Teilchen mit spezifischem Ladungs-Massen-Verhltnis *spter 'Elektronen' genannt 1 Entdeckung des Elektrons Die Geburtsstunde der Teilchenphysik
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  • TEILCHEN Atom Die Existenz von Atomen als physikalische Realitt war bewiesen Francois Perrin (1907) besttigt Einstein's Formel mittels prziser Messungen Robert Brown (1827) beobachtet die Zitterbewegung von kleinen Russpartikeln in wssriger Lsung 1905 Albert Einstein (1905) erklrt die Zitterbewegung mit Hilfe der kinetischen Atomtheorie
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  • Ok fr kleine Frequenzen (Jeans law) durchschnittliche Energie der Oszillatoren (proportional zur Temperatur?) Emissionsspektrum Hohlraumstrahlung Ein Hohlraum absorbiert die einfallende Strahlung vllig und sendet diese Energie als thermische Strahlung wieder aus: Hohlraumspektrum = f( ,T) Felder
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  • Ein Akt der Verzweiflung h = neue fundamentale Konstante 14 Dezember 1900 Max Planck Die Oszillatoren (in der Wand des Hohlraums) knnen nur Energiepakete aussenden = h Hhere Frequenzen entsprechen grsseren Energiepaketen die bei niedrigen Temperaturen nicht wahrscheinlich sind Durchschnittsenergie der Oszillatoren
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  • Der photoelektrische Effekt Kathodenstrahlen (= Elektronen) werden durch Einstrahlung von Licht auf Metalloberflchen erzeugt. Klassische Erwartung: Da die Energie des Lichts proportional zum Quadrat der Amplitude ist, sollte die Energie der Elektronen der Intensitt des Lichts proportional sein. 1902 Philipp von Lenard Die Energie der Elektronen zeigt nicht die geringste Abhngigkeit von der Lichtintensitt Aber: Die Energie der Elektronen ist proportional der Frequenz des Lichts (Gradient = h) Felder
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  • Mein einziger revolutionrer Beitrag zur Physik 17 Mrz 1905 Albert Einstein Licht wird quantenweise emittiert und absorbiert Ein Lichtquant gibt alle seine Energie an ein einzelnes Elektron ab E max = h - W (Erst im Jahr1917 durch Compton bewiesen) Felder Photon
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  • Spezielle Relativittstheorie Maxwell - Gleichungen: c = konstant Michelson - Morley : c = konstant Einstein : es gibt keinen ther Aber wie knnen zwei relativ zueinander bewegte Beobachter jeweils die gleiche Lichtgeschwindigkeit messen? Postulat 1: alle unbeschleunigten Bezugssysteme sind quivalent Postulat 2: Lichtgeschwindigkeit c = konstant (in Vakuum) Da c = const; und: Geschwindigkeit = (Raumintervall/Zeitintervall) --> Raum und Zeit knnen keine absolute Bedeutung haben Felder 1905
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  • ct = vt + w t(c - v) = w 1) Verlangsamung der Zeit, Verkrzung des Raums Spezielle Relativitt 2) Modifizierung von Newtons Bewegungsgesetzen Relativistische Masse - Ruheenergie Naturgesetze mssen Raum- und Zeit- Koordinaten gleich behandeln E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4
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  • TEILCHEN 1911 Ernest Rutherford (r) und Hans Geiger (l) in Manchester Entdeckung des Atomkerns Geiger und Marsden schiessen Alpha-Teilchen auf Goldfolien 1 von 8000 Alpha-Teilchen wird rckwrts gestreut (> 90 o ) Dies konnte nicht durch das Rosinenkuchen-Modell erklrt werden Rutherford: Die gesamte Masse des Atoms ist in einem winzigen Atomkern konzentriert Grsse: Coulomb-Potential= kinetische Energie: < 27 10 -15 m (korrekter Wert: 7.3) Rosinenkuchen' Modell des Atoms (1904) e-e-e-e-
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  • TEILCHEN Kern Eine Analogie mit dem Sonnensystem: Wenn der Atomkern die Grsse der Sonne htte, wre die Entfernung der Elektronen ca. 1000 x grsser als die Entfernung Erde - Sonne Atome sind extrem leer 1911 ? ? Woraus besteht der Atomkern? Rutherford-Modell des leeren Atoms Kern Wie knnen Elektronen den Kern umkreisen ohne Strahlung auszusenden? NEUE PROBLEME:
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  • TEILCHEN 1913 J. J. Balmer (1885) analysiert das Emissionsspektrum von Wasserstoff Balmers empirische Formel: Niels Bohr besucht Rutherford im Jahr 1913 Anwendung der Planckschen Quantenhypothese im Atom ! Elektronen strahlen nur bei bergngen Photonen-Energie = Energiedifferenz zwischen n-Niveaus Wenn der Drehimpuls quantisiert ist: dann
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  • TEILCHEN 1923-1927 Es brauchte noch weitere 10 Jahre bevor man anfing, die mysterisen Regeln der atomaren Welt zu verstehen. *Diese Hypothese wurde 1927 durch die Beobachtung von Elektronenbeugung besttigt (Davisson/Germer) Teilchen haben Welleneigenschaften Louis de Broglie (1924)
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  • TEILCHEN 1923-1927 Heisenberg (1925) Wenn Teilchen auch Welleneigenschaften haben, dann knnen Ort und Impuls nicht gleichzeitig przise messbar sein. Ort-Impuls-Unschrfe: Unschrferelation Analogie: Ein reiner Ton der Frequenz f bekommt eine Unschrfe f wenn er nur ber das Zeitintervall t erklingt (Fourier-Transformation): f t ~ 1 h f t = E t ~ h Energie-Zeit-Unschrfe:
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  • PARTICLE SPECTRUM 1923-1927 Schrdinger 1926 SCHRDINGER: WELLENGLEICHUNG WELLENVERHALTEN VON TEILCHEN -> BESCHREIBUNG DURCH WELLENFUNKTION Interferenz (mathematisch) am einfachsten durch komplexe Funktionen beschrieben (Phase) Wie hat Schrdinger seine Gleichung erraten?
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  • Energie E eines Teilchens mit Masse m, Impuls p, in einem Potential V(r) Von der klassichen zur Quanten- Mechanik Gesamtenergie = kinetische + potentielle Energie
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  • bersetzung von Teilchen- in Wellensprache: Eine Welle wird beschrieben durch eine Funktion im Raum (x) mit Kreisfrequenz und Wellenvektor
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  • De Broglie Impuls einer Teilchenwelle: Energie einer Teilchenwelle:
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  • Frage die Wellenfunktion nach ihrem Impuls:
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  • Genauso: die Energie...
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  • Schrdinger Gleichung:
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  • PARTICLE SPECTRUM 1923-1927 Elektronen bilden stehende Wellen Stimmt sehr gut wenn... v
  • 1) ANTITEILCHEN (neu !) 2) SPIN 1/2 (Erklrung) 3) SPIN 1/2 --> PAULI PRINZIP (1940) Quantentheorie + Sp. Rel.theorie = Dirac-Gleichung Spezielle Relativitt Felder = Elektron - Spin up Elektron - Spin down Positron - Spin up Positron - Spin down
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  • Zwei wichtige Voraussagen von Dirac Die Wellenfunktion hat 4 Komponenten (zwei Spin 1/2 Teilchen) Die kleinen Komponenten beschreiben Anti-Teilchen Jedes Teilchen besitzt ein Anti-Teilchen Spezielle Relativitt Felder
  • Folie 31
  • Entdeckung des Positrons +e++e+ Anderson (1932) Dirac hatte recht! Spezielle Relativitt Felder Elektron-Positron-Paarerzeugung
  • Folie 32
  • DAS VAKUUM WAR PLTZLICH SEHR KOMPLIZIERT GEWORDEN Quantenphysik (Unschrferelation!): physikalische Systeme (z.B. Felder) kennen keine absolute Ruhe Selbst im Grundzustand verschwinden die elektromagnetischen Felder nicht vllig: Fluktuationen des Vakuums produzieren (fr kurze Zeit) Elektron-Positron Paare. Die Quantisierung der Felder