Auf den Spuren der Elementarteilchen Beschleuniger und Detektoren

Auf den Spuren der Elementarteilchen • • Beschleuniger und Detektoren Z Produktion und Zerfall Teilchenidentifikation Zusammenhang mit Kosmologie Masterclasses, Dresden, 1. 3. 2010 Michael Kobel

Teilchenphysik = Hochenergiephysik Forscher nutzen Teilchenstrahlen höchster Energie, denn mit steigender Energie E (Impuls p) der Projektile steigt • Fähigkeit, kleine Strukturen Dx zu erkennen Dx Dp = ħ (Heisenberg) • Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen: E = mc 2 (Einstein)

Wiederholung: nützliche Einheiten für Teilchen • Größe: 1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10 -15 m (1 µm = 1. 000 fm) • Energie: 1 Elektron. Volt = 1 e. V 1 Kilo. Elektron. Volt = 1 ke. V = 1000 e. V 1 Mega. Elektron. Volt = 1 Me. V = 1. 000 e. V 1 Giga. Elektron. Volt = 1 Ge. V = 1. 000 e. V • 1 Ge. V: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig: könnte Taschenlampe (1, 6 Watt) für ganze 0, 0001 Sekunden zum Leuchten bringen

Teilchenbeschleuniger als Mikroskope • Sehen = Abbilden Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweis (Detektor) • „Auflösungsvermögen“ : Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Projektilgröße << Größe der Strukturen • Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in Me. V) , zum Beispiel: 0, 2 fm bei E = 1 Ge. V = 1000 Me. V 200 fm bei E = 1 Me. V = 1000 ke. V 0, 2 µm bei E = 1 e. V >0, 15µm

Unbekanntes Objekt in einer Höhle • Projektil: Basketbälle

• Projektil: Tennisbälle

• Projektil: Murmeln . . . Nichts wie weg !

Protonen und Neutronen sind nicht elementar! • Indirekte Hinweise: z. B. Ordnungsschema (60 er Jahre) • • • Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen Quarks 1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg Nötige Treffgenauigkeit: << 1 fm Energie >> 0, 2 Ge. V Resultat: 1 fm

Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger • Haben Sie auch daheim! • Funktionsprinzip: Simulation (externer Link) • Linearbeschleuniger: • Fermilab, Chicago (in Betrieb) • DESY, Hamburg (in Planung)

Bis 2000: e-e+ Vernichtung bei CERN Strahlenergie Ee= 40 -100 Ge. V

Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 Elektronische Bilder

Der Large Hadron Collider LHC Kollision von 7 Te. V Protonen mit 7 Te. V Protonen

Hier in Dresden: ATLAS Experiment, LHC • Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombinatio von Signalen in den Komponenten 170 Universitäten und Institute aus 35 Ländern • Größenvergleich Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

LHC Energie • Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug 120 Elefanten mit 40 km/h Nadelöhr: 0. 3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0. 03 mm Durchmesser

Bilder vom LHC CERN visit - Introduction page 10

Ein Blick in den Tunnel • Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu – Strukturen und Abständen von 10 -19 Metern – Massen auf der Teraskala (E = mc 2 = 1 Te. V) – Entwicklung des Universums nach dem Urknall von 0, 000. 001 s bis 0, 000. 01 s

Animationen ATLAS (2, 9 MB) CMS (68 MB) (externe Links durch Klicken aufs Bild) http: //atlas. ch/multi media/downloads/ ATLAS_Event. avi (55 MB) Ziele: Suche nach Neuem: • Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse? ) • Supersymmetrie ( Dunkle Materie? ) - nur 4% des Weltalls ist „normale“ Materie • zusätzliche Raumdimensionen

Erste Kollisionen bei 0, 9 Te. V am 23. 11. 09

Noch ein Elementarteilchen 1914 Chadwick b-Zerfall: n p + eÞ Unerwartete Energieverteilung Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino n Elektrisch neutraler Partner des Elektrons sehr leicht schwach wechselwirkend (Fermi): 999 von 1. 000 schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet im Universum 366. 000 Neutrinos / m 3 im Vergleich zu 0, 2 Protonen / m 3

Zusammenfassung Bausteine • Fundamentale Bausteine der Materie: – Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d zu Kernen oder Atomen gebunden – Neutrino n, ungebunden – Alle punktförmig ( < 0. 001 fm) • Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? • Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?

Konzept der Wechselwirkungen • Wechselwirkung: – Kraftwirkung zwischen Teilchen – Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion • 4 fundamentale Wechselwirkungen – Gravitation (Schwerkraft) S – Elektromagnetismus N – Schwache Wechselwirkung – Starke Wechselwirkung q q n n pp n p nnn pp np pp pn

Prinzip von Kraftwirkungen • • • Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend www. physicsmasterclasses. org/exercises Anziehend /unischule/baust/bs_6 fram_lv 123. html (nur in internet explorer abspielbar)

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

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 höher deren Energie ist (Fadenstrahlrohr)

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 • Besonderheiten: – Endliche Reichweite ca 1 fm – Hält p, n und Atomkern zusammen – Makroskopisch nicht beobachtbar, außer im radioaktiven a-Zerfall Heliumkerne

Die schwache Kraft • • 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 Ge. V • Teilchen Up Down Neutrino Elektron I 3 +1/2 -1/2 • Besonderheiten: – Endliche Reichweite ca 0. 0025 fm – Makroskopisch nicht beobachtbar, außer • Brennen der Sonne • Radioaktive Umwandlung („Zerfall“) des Neutrons Analog: „Zerfall“ des Myons µ enn

mehrere Teilchen-Familien! primäres Teilchen trifft auf Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe p, He, . . . p Atmosphäre g p n p m e m Entdeckt: 1937 -1947 wie e, nur 200 x schwerer Fuji 3776 m nm g nm e nm ne

Das vollständige Set der Bausteinteilchen • • Das 4 er Set der „ 1. Baustein-Generation“ wiederholt sich genau 2 Mal Niemand weiss warum

Eindeutige Vorhersagen • • Ursache jeder Wechselwirkung: Erhaltung von Symmetrien Ergibt eindeutiges Set von fundamentalen “Vertices” Alle Prozesse sind Kombination solch fundamentaler Vertices Nur Teilchen mit entsprechender Ladung nehmen an jeweiliger wechselwirkung teil Zeit z. B. Beta”zerfall” des Neutrons Anm: Pfeilrichtung symbolisiert Antiteilchen Es läuft trotzdem in der Zeit nach rechts

Die Massen der Elementarteilchen 1995: Te. Vatron, FNAL, Chicago Entdeckung des Top Quarks Masse: 173 Ge. V ! ~ 0, 000. 001 ~ 0, 000. 05 Scientific American, 1997 0, 511 Masse in Me. V 105, 7 1 777 bzw. in Tonnen

Die Bedeutung der Teilchenmassen • Die Masse der Atome kommt – nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine – 99% aus Energie der Quarkbindung • Ändern von mu , md oder me hätte – kaum Effekt auf Atommassen – kaum Effekt auf Materiedichte – riesigen Effekt auf Verhalten der Materie • Erniedrige m. W auf die Hälfte – Sonne brennt viel zu schnell f. Evolution d. Lebens p 2 • Erniedrige md – me um 1 Me. V/c e– ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs: ne – keine Wasserstoff-Atome, n stabil • Erniedrige md – mu um 2 Me. V/c 2 – Proton- und Deuteriumzerfall – Keine Sterne – nur neutrale Teilchen (n, g, n) n W-

Animation: Was wäre wenn… View at: www. youtube. com/watch? v=p 5 c. Pg 62 z 8 xs Download: http: //www. teilchenphysik. de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse • Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, wie ihre Werte zustande kamen. • • http: //prola. aps. org/abstract/RMP/v 68/i 3/p 951_1 R. N. Cahn, „The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life“(1996) http: //arxiv. org/abs/hep-ph/9707380 V. Agrawal, S. M. Barr, J. F. Donoghue, D. Seckel, „The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model“ (1997) http: //arxiv. org/abs/astro-ph/9909295 v 2 C. Hogan, „Why the Universe is Just So“ (1999) http: //arxiv. org/abs/0712. 2968 v 1 Th Damour und J. F. Donoghue, „Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding“ (2007)

Antimaterie • • Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Ladungsvorzeichen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen können paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt können Sich diese wieder zu Botenteilchen vernichten, z. B. e+ + e- Z 0 , am besten wenn 2 Ee=m. Zc 2 m. Z 2 Ee

Z “Zerfälle“ • Das Z Teilchen ist nicht stabil • Wandelt sich nach 3 x 10 -25 s (!) in andere Teilchen um e+ Z 0 Z 0 e+ e- m+ mt+ tqq nn e- Zeit

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 Löcher Verhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten Größenvergleich der Kopplungen e+ e- Aufgabe für heute nachmittag! m+ mt+ tqq nn Z 0

Ergebnisse hochaktuell • Veröffentlicht in Physics Reports, Mai 2006

Teilchenidentifikation = Detektivarbeit • • • feststellbare Teilcheneigenschaften: – aus Quarks („Hadronen“) – elektr. geladen / ungeladen – leicht / schwer Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

Schnitt durch einen Sektor des CMS Detektors Teilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen Press “escape” to exit

Detektorverhalten Mehr Durchschlagskraft für: - schwere Teilchen - schwächere Wechselwirkung

Zusammenfassung • Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen • Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren • Sowie die Bildung von Hadronjets aus Quarks Hadronen Pion Myon

Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets • e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 Ge. V e ¯ p 800 Ge. V

Zusammenhang Kosmologie - Teilchenphysik frühes Universum: Temperatur 1015 K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 Ge. V alle Teilchen kollidieren unkontrolliert Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 Ge. V gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung

Auf der Suche nach der „Weltformel“ heutige experimentelle Grenze Fortschritt der Physik Zurück zum Urknall

Schlussübersicht