Die Welt der Teilchen

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Die Welt der Teilchen

Die Welt der TeilchenProf. André SchöningPhysikalisches InstitutUniversität Heidelberg1


Blick in die Tiefe des Universums2


Blick in die Tiefe des UniversumsRAUM3


Blick in die Tiefe des UniversumsRAUMZEIT4


Blick in die Tiefe des UniversumsRAUMZEITMATERIE5


Von Materie ...6


...zu Elementarteilchen7


Alten GriechenElementarteilchen ?8


Atomismums und VakuumPlaton (ca. 428-348 v. Chr) und Aristoteles (ca. 384-322 v. Chr):Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft„Nicht seiendes“ gibt es nicht!Symmetrie + Äther9


Atomismums und VakuumPlaton (ca. 428-348 v. Chr) und Aristoteles (ca. 384-322 v. Chr):Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft„Nicht seiendes“ gibt es nicht!Symmetrie + ÄtherDemokrit (ca. 460-371 v. Chr) und Leukippos (5. Jahrh. vor Chr):Materie besteht aus unteilbaren Bestandteilen (Atome)Leerer Raum zwischen den Atomen (Vakuum)Atomismus + VakuumModerne Physik lehrt: alle hatten (zumindest teilweise) Recht !10


Struktur der MaterieStreuung von – Teilchen (Heliumkerne) an einer GoldfolieHans Geiger + Ernest Marsden 1911-1913Schlüsselexperiment!GoldfolieMessung des StreuwinkelsRutherford Streuformel (Coulomb Potenzial):Rate ∝ Z 1 Z 2 e 24 E 1sin 4 /2 ∝ 1sin 4 /2Die Goldfolie ist überwiegen leer! (Demokrit)11


Alten GriechenElementarteilchen ?Kollegen (Quantenfeldtheoretiker)12


QuantenfeldtheoriePhysiker-Kollege:„Ein Elementarteilchen istein angeregter Quantenzustanddes Quantenfeld-Vakuums“13


Quantenfeld-Vakuum = See14


angeregter Zustand = Teilchen15


QuantenphysikPhysiker-Kollege:„Ein Elementarteilchen ist diskreterZustand (abzählbar), der durcheine definierte Masse und bestimmtenQuantenzahlen z.B. elektrische Ladungund Spin charakterisiert ist“16


unteilbarer Zustandangeregter ZustandQuanten-ZustandVakuumElementarteilchen ?ÄtherRaum + ZeitSpinSymmetrienMasseLadungLebensdauer17


Diskreter Zustandpunktförmig (keine Struktur) → nicht weiter teilbar!abzählbarununterscheidbarElektronene - e - e - e - e - e -18


GeldstückeTeilcheneigenschaftenElektronene - e - e - e - e - e -19


GeldstückeTeilcheneigenschaftenElektronene - e - e - e - e - e -definierte (einheitliche) Masse: m = m e= 0.511 MeV/c 2definierte elektrische Ladung:definierten Spin (Drehimpuls):Q = - e = 1.6 · 10 -1 9 CoulombJ = ½ ħ20


Ununterscheidbarkeite - e -Zeit AZeit A21


UnunterscheidbarkeitZeit Be -e - e -Zeit AZeit Ae -Zeit B22


UnunterscheidbarkeitZeit Be -e - e -Zeit AZeit Ae -Zeit B23


UnunterscheidbarkeitZeit Be -e - e -Zeit AZeit Ae -Zeit B24


UnschärferelationWichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik:Heisenberg'sche Unschärferelation p x⋅ x ≥ ħ(Planck'sche Konstante)Impuls p Xund Ort x können nicht beide gleichzeitigbeliebig genau vermessen werden!Planck'sches Wirkungsquantumħ = 10 −34 Js = 10 −34 kg m2s25


UnschärferelationWichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik:Heisenberg'sche Unschärferelation p x⋅ x ≥ ħ(Planck'sche Konstante)Impuls p Xund Ort x können nicht beide gleichzeitigbeliebig genau vermessen werden!Planck'sches Wirkungsquantumħ = 10 −34 Js = 10 −34 kg m2sElektronen Masse:m e= 0.511 MeVc 2= 0.91⋅10 −30 kg26


Unschärferelation Beispiel?v y= 0 ± 10 cm/sProtonElektronp e -y = 0 ± 1 mmm e⋅v y⋅ y ≥ ħ27


Bahndrehimpuls?L Z 0L = p×r?L Z= 0pe -?L Z 028


Quantisierter BahndrehimpulsL Z= ħL Z= 0pe -L Z= −ħL ist gequantelt! → Wahrscheinlichkeiten29


DoppelspaltexperimentEreignise -funktioniert mitLicht (Photonen) undTeilchen (z.B. Elektronen)WahrscheinlichkeitsverteilungzeigtInterferenzmuster!30


InterferenzenA = A 1+ A 2A 231


Wahrscheinlichkeiten„Gott würfelt nicht“ (Albert Einstein)Experimente: die Natur würfelt!Teilchen werden durch eine komplexe Wellenfunktionbeschrieben Wahrscheinlichkeit der Beobachtung:P = ∗ =∣∣ 232


Erste ZusammenfassungTeilchensind punktförmige diskrete Zuständemit definierter Masse und Quantenzahlen,die Ausbreitung wird im Rahmen der Quantenmechanikmit Wellenfunktionen beschriebenBeobachtungen („Ereignisse“) werden durchWahrscheinlichkeiten beschrieben33


Wechselwirkung von TeilchenZeit Be -e - e -?Zeit A S = 1Zeit Ae -Zeit B34


Wechselwirkung von FermionenSpin =1/2 ħZeit Be -µ - e -?Zeit A S = 1Zeit Aµ -Spin-Flip!Zeit B35


Wechselwirkung von FermionenSpin =1/2 ħZeit Be -Photonµ - e -γZeit AZeit AZeit Bµ -Austausch-Bosonen(Kraftteilchen)36


Kraftteilchen (Bosonen)Spin =1 ħTeilchenAustauschkraftPhotonγelektro-magnetischGraviton GMassenanziehungGluon gFarbkraft (starke WW)W ± , Z 0 -Bosonenschwache Wechselwirkung37


Kraftteilchen (Bosonen)Spin =1 ħMassem = 0Reichweite∞m G= 0∞m g= 0∞m W= 80 GeV/c 210 - 1 8 m38


UnschärferelationEnergie und Zeit E ⋅t ≥ ħ(Planck'sche Konstante)Energie E und Zeit t können nicht beide gleichzeitigbeliebig genau vermessen werden!Für eine kurz Zeit t ist die Energie E unscharft = 10 −26 s E ~ 80GeV /c 239


40QuantenfeldtheorieZWGgeduZWGgeduZWGgeduZWGgeduZWGgeduZWGgeduZWGgeduVakuum ist ein „See“ aus virtuellen Teilchen


41QuantenfeldtheorieZWGgeduZWGgeduZWGgeduZWGgeduZWGgeduZWGgeduZWGgeduneutron


W - Bosonneutronn42


pQuantenfeldtheorieElektrone -protonW - BosonAnti-Neutrinoneutronnt = 10 −26 s43


TeilchenerzeugungKann man gezielt ein W ± -Boson oder Z 0 -Boson aus dem Vakuum erzeugen?44


TeilchenerzeugungKann man gezielt ein W ± -Boson oder Z 0 -Boson aus dem Vakuum erzeugen?Ja! Wenn man Energie in Masseumwandelt!45


Woher kommt das Licht der Sonne?46


Woher kommt das Licht der Sonne?aus Materie!47


Woher kommt das Licht der Sonne?Kernfusion48


Woher kommt das Licht der Sonne?E 0 = m c 2Kernfusion49


Teilchenerzeugunge +PositronZ 0 -BosonElektrone -50


LEP Beschleuniger am CERNe +Positron1989-2000Z 0 -Bosone +Elektrone -e -51


Ergebnisse e + e - BeschleunigerZ Resonanz-Peak52


Standardmodel der Teilchenphysikelementare Teilchen:strukturlospunktförmig3 Generationenvon Fermionen4 Bosonen (Austauschteilchen) , Z , W ± , g53


Ungelöste Probleme derTeilchenphysik1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?55


Universum~72% „Dunkle Energie“ im Universum~23% „Dunkle Materie“ im Universum~4% gewöhnliche Materie(Baryonen, Elektronen, Neutrinos)56


Ungelöste Probleme derTeilchenphysik1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?57


Universum~100% Materie~0% Antimaterie58


ProtonPhotonAntiprotonAntimaterie + Materie ↔ Energie60


Antimaterie + Materie ↔ EnergieProtonPhotonAntiproton61


Energie ↔ Antimaterie + MaterieAntiprotonPhotonProton62


Energie ↔ Antimaterie + MaterieAntiprotonPhotonWie entsteht eine Asymmetrie?Proton63


Ungelöste Probleme derTeilchenphysik1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?3. Woher kommt Masse vom W ± und Z 0 ?64


Woher kommt Masse?Wie entstehtMasse?Urkilogramm (Paris)65


QuantenfeldtheorienTeilchen werden in Quantenfeldtheoriendurch Quantenfelder ()beschrieben: Wahrscheinlichkeiten = Postulat: zusätzliches skalares Higgs Quantenfeld (Teilchen)66


Der Higgs-Kibble Mechanismus(1964)Brechung der RotationssymmetrieHiggs Potentialmexican hutMskalares Higgs-Feld:Peter Higgs0 0V = − M2 02 ∗ − 02 2Higgs Feld koppelt an alle bekannten Elementarteilchen Masse67


Die Higgs-KopplungV0 0ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse68


Die Higgs-KopplungV 00ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse69


Die Higgs-KopplungV 00ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse70


Die Higgs-KopplungV 00ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse71


Die Higgs-KopplungV 00ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse72


Die Higgs-KopplungV 00ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse73


Was ist das Higgs-Teilchenundwarum wollen wir es finden?Frage des englischen Bildungsminister William Waldegrave 1993Antwort: von David Miller, University College74


CocktailpartyGäste bilden einen „See“ aus Higgs-Teilchen75


Bekannte Politikerin tritt einDer prominente Gast erhält Masse76


„Heiße“ Nachricht erreicht PartyGäste lassen sich durch Neuigkeit „anregen“77


„Heiße“ Nachricht erreicht PartyDas angeregte Higgs-Feld hat eine Masse78


Was wissen wir über das Higgs?Massengrenzen:114 GeV M H 163 GeVkann beim Large Hadron Colliderentdeckt werden!Masse79


Large Hadron ColliderCERN (Genf)Proton - Proton Kollisionen:7 TeV 7 TeV~10 km80


ATLAS Experiment bei LHC(CERN, Genf)Untersuchung von Proton-ProtonStreuung bei höchsten Energienvon 14 TeV●mehr als 150 Institute●etwa 2500 Kollaborateure●größter Detektor●Datennahmeab Ende 200981


eesimulierter Higgs Zerfall bei LHC82


Ungelöste Probleme derTeilchenphysik1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?3. Woher kommt Masse vom W ± und Z 0 ?4. Struktur und Massen der Fermionen?83


Masse der FermionenGoldProtonTop Quark (t):M top = 171 GeV= 0.17⋅10 12 eVNeutrinos:M ≪ 0.4 eV84


Verhältnis der TeilchenmassenTop Quark m = 171 GeV/c 2Proton: m ≈ 1 GeV/c 2Elektron:m ≈ 0.5 MeV/c 2Neutrinos: m ≈ 0.01 - 0.1 eV/c 285


Ungelöste Probleme derTeilchenphysik1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?3. Woher kommt Masse vom W ± und Z 0 ?4. Struktur und Massen der Fermionen?5. Was passiert bei hohen Energien?Neue Physik? Überaschungen?86


Large Hadron ColliderCERN (Genf)Proton - Proton Kollisionen:7 TeV 7 TeVViel Spass!~10 km87

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