Das HiggsTeilchen Der letzte Baustein im Standard Modell
Das Higgs-Teilchen - Der letzte Baustein im Standard Modell Warum ist das Higgs so wichtig? Amand Fäßler, Tübingen.
Geeichte Maße; Lokale Eichung • Lokale Längen-Eichung: Ulmer Elle, Augsburger Elle, Nürnberger Elle, …. • Globale Längen-Eichung (Napoleon): Meter • Gleicher Messwert für alle lokale Eichungen Länge = 0 • Masse der Elementarteilchen unabhängig von lokaler Eichung Masse = 0 Amand Fäßler, Tübingen 2
Messwert invariant gegen diese lokalen Eichungen nur die Länge „null“. • Lokale Eichung möglich, denn kein Ort ausgezeichnet! • Lokaler Eichinvarianz für alle Kräfte-Teilchen (elektromagnetische Kräfte, Schwache Wechselwirkung, Kernkräfte) Masse = 0. • Bei Masse=0 (Photon, Gluon) kein Higgs notwendig. Amand Fäßler, Tübingen 3
Higgs-Teilchen lokale Eichinvarianz mit Masse • Peter Higgs von der Universität Edinburgh - heute 83 Jahre alt. • Juli 1964 bei „Physical Review Letters“ abgelehnt, • bei „Physics Letters“ veröffentlicht. 1) Francois Englert, Robert Brout + (Brüssel) : August 1964 2) Peter Higgs: + zwei Wochen September 1964 3) Gerald Guralnik/US, Carl Hagen/US, Tom Kibble/Imperial College, London UK: Nov. 1964 Amand Fäßler, Tübingen 4
Peter Higgs von der Universität Edinburgh (83 Jahre) + Francois Englert, Brüssel (80 Jahre). 4. Juli 2012 im CERN/GENF bei der Vorstellung der eventuellen Entdeckung des Higgs-Teilchens. Amand Fäßler, Tübingen 5
Kibble, Guaralnik, Hagen, Englert, Brout + November 1964 ; August 1964 Higgsionen ? Amand Fäßler, Tübingen 6
Die ersten Publikationen zum Higgs: • Peter Higgs, Phys. Lett. 12 (1964) 132 eingesandt: 27. Juli 1964 (Doch eingesandt an P. R. L. früher, abgelehnt. ) • Robert Brout +, Francois Englert, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321 eingesandt: 26. Juni 1964 • Gerald Guralnik, Carl Hagen, Thomas Kibble, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 585 eingesandt: 12. Oktober 1964 Amand Fäßler, Tübingen 7
Standard Modell Materie-Teilchen Kräfte-Teilchen ein elementatarteilchen Amand Fäßler, Tübingen 8
Proton-Neutron Coulomb-Kraft zwischen (keine. Protonen elektrische Wechselwirkung) zwei (elektrische WW) Amand Fäßler, Tübingen 9
Das Higgs-Teilchen ist ein Flavor-Dublett wie das Proton-Neutron-Paar oder die up und down-Quarks. (Higgs hat Flavor-Ladung) Higgs kann es nur mit Teilchen mit Flavor-Ladung wechselwirken. Photon = g = Isospin-Singulett (Hat keine Flavor-Ladung); Gluon = g = Isospin-Singulett (Hat keine Flavor-Ladung); Amand Fäßler, Tübingen 10
Wechselwirkung des Higgs mit den Elementar-Teilchen. Diese erhalten Masse. Amand Fäßler, Tübingen 11
Potential des Higgs-Teilchens als Funktion seiner Wellenfunktion F = H Das Higgs wechselwirkt mit anderen Teilchen über die „Flavor“-Ladung. Amand Fäßler, Tübingen 12
Die nächsten 5 Minuten nur für Naturwissenschaftler verständlich. • Ich möchte mich bei den anderen Zuhörern entschuldigen. Amand Fäßler, Tübingen 13
Lokale Eichung bei Wellenfunktionen y(Ort, Zeit) der Elementarteilchen e = Eulersche Zahl = 2, 71828…. i Imaginärteil Zinseszins: K = lim n unendl. K 0[1+1/n]n = K 0 e -1 1 Realteil Umeichung von y: Dieser Ausdruck ist invariant unter lokaler Eichung! Amand Fäßler, Tübingen 14
Lokale Eichung erster Art. Wenn man dies nun in die Schrödinger. Gleichung einsetzt, wirken die Ableitungen auch auf die Eichung. Nicht mehr lokal eichinvariant. Amand Fäßler, Tübingen 15
Lokale Eichung zweiter Art (Elektrodynamik). z-Komponente des Magnetfeldes: Amand Fäßler, Tübingen 16
Wechselwirkung elektromagnetischer Felder mit geladenen Teilchen Die Terme der Eichung erster Art und die Terme der Eichung zweiter Art heben sich ohne Masse in der Schrödinger- oder in der Dirac-Gleichung exakt weg. Amand Fäßler, Tübingen 18
Lokale Eichung bei Wellenfunktionen: Nur lokal eichinvariant für Masse = 0. Durch Einführung des „Higgs“ konnte Peter Higgs und andere 1964 die lokale Eichinvarianz auch für Teilchen mit Masse wieder herstellen. Lokale Wahl (Eichung) vom Winkel f(Ort, Zeit) und endliche Masse erfordert das Higgs. Teilchen! Amand Fäßler, Tübingen 20
Lokale Eichinvarianz-Verletzung mit Massen-Term (für Photon). Mit „Higgs“ haben alle Teilchen ursprünglich die Masse = 0 (lokal eichinvariant) und die Flavor. Wechselwirkung erzeugt für Teilchen mit Flavor. Ladung einen Term, der Masse „simuliert“. 23 Amand Fäßler, Tübingen
Szenarium (wieder für Alle): • Beim Urknall sind sehr viele Higgs. Teilchen entstanden <Higgs> = 0. Bei der Expansion und Abkühlung zerfallen sie nicht <Higg> größer 0. Amand Fäßler, Tübingen 25
Potential des Higgs-Teilchens als Funktion seiner Wellenfunktion F = H Amand Fäßler, Tübingen 26
Szenarium (wieder für Alle): • Beim Urknall sind sehr viele Higgs. Teilchen entstanden. Bei der Expansion und Abkühlung zerfallen sie nicht. Higgs-Kondensat im ganzen Universum: <Higgs> grösser als 0. • CDU-Parteimitglieder im Foyer bei einem Parteitag und Frau Merkel kommt herein. Amand Fäßler, Tübingen 27
Frau Merkel auf dem CDU-Parteitag Frau Merkel erhält eine große effektive Masse Amand Fäßler, Tübingen 28
Der „Large Hadron Collider“(LHC) bei Genf ist ein Ringbeschleuniger von 27 km Länge mit einer Kollisionsenergie von Proton auf Proton von 4+4 = 8 [Te. V] = 8*1012 [e. V] = 8 Billionen [e. V]. 4 Te. V Protonen Amand Fassler, Tübingen
Beschleuniger-Verbund am CERN in Genf. (LHC 2010) 10 7 Te. V 20122008) : 8 Te. V 450 Ge. V 25 Ge. V Im Ring: 1700 Biegemagnete und 1700 Fokussierungsmagnete mit Einschuß über 10 000 Magnete Amand Fassler, Tübingen
Untergrundtunnel mit Experimente ATLAS, CMS und andere und Lastaufzügen 27 km lang und etwa 100 Meter tief. Amand Fassler, Tübingen
Teil der 27 km langen Strahlführung und Beschleunigungsstrecke des „Large Hadron Colliders“. Amand Fassler, Tübingen
Blick auf den ATLAS-Detektor Amand Fäßler, Tübingen 34
Amand Fäßler, Tübingen 35
Proton-Kollision am LHC/ATLAS Amand Fäßler, Tübingen 36
Zerfall des Higgs in zwei Gamma -Quanten Masse(HIGGS) = 126 Ge. V Amand Fäßler, Tübingen 40
Zerfall des Higgs in zwei energiereiche Photonen (Gamma-Quanten) Amand Fäßler, Tübingen 41
Das Higgs zerfällt in zwei Vektorbosonen Z 0 und jedes Z 0 in ein Elektron-Positron- oder in ein Müon-Antimüon-Paar Amand Fäßler, Tübingen 42
Das Higgs zerfällt in ein b(Bottom) und Anti-b-Quark und diese wieder in Jets. Amand Fäßler, Tübingen 43
Das Higgs zerfällt in ein W+ und W- und diese wieder in ein Elektron+Neutrino- oder Müon+Neutrino-Paar. Amand Fäßler, Tübingen 44
Zerfall des Higgs in zwei Gamma -Quanten Masse(HIGGS) = 126 Ge. V Amand Fäßler, Tübingen 45
Higgs in zwei g-Quanten Amand Fäßler, Tübingen 46
ATLAS-Messung im zwei Gamma-Zerfall H g+g als Funktion der Masse des zerfallenden Teilchens. Amand Fäßler, Tübingen 47
CMS-Messung im zwei Gamma-Zerfall H g+g als Funktion der Masse des zerfallenden Teilchens. Amand Fäßler, Tübingen 48
126 Ge. V – Teilchen zwei Gamma-Quanten • Spin(= 0; Higgs) Spin(=1; Gamma) + Spin(=1; Gamma) • Higgs = Spin 0 -Teilchen (Standard Modell) Amand Fäßler, Tübingen 49
0 Z Zerfall des Higgs in zwei 2 Elektronen und 2 Müonen Aus den zwei Elektronen und den zwei Müonen berechnet man die Masse des zerfallenden Teilchens (Higgs) Amand Fäßler, Tübingen 50
Berechnung der Masse Wenn Higgs in Ruhe. Einstein-Relation Amand Fäßler, Tübingen 52
Resultate mit Higgs 4 Leptonen (4 Elektronen; 2 Elktronen+ 2 Müonen; 4 Müonen) Higgs Z 0 -Boson Amand Fäßler, Tübingen 53
Gemessene Wahrscheinlichkeit/ Standard Modell Verschiedene Messungen der Higgs-Masse und die Wahrscheinlichkeit relativ zum Standard-Modell Gemessene Higgs-Masse [Ge. V] Amand Fäßler, Tübingen 54
Taged mit Vektorbosons (Ein Vektorboson wird dazu emitiert. ) up up down Proton Angeregtes Vektorboson Higgs Vektorboson Z 0 Amand Fäßler, Tübingen 55
Gemessene Wahrscheinlichkeit/ Standard Modell Verschiedene Messungen der Higgs-Masse und die Wahrscheinlichkeit relativ zum Standard-Modell Gemessene Higgs-Masse [Ge. V] Amand Fäßler, Tübingen 56
Einige der noch offenen Fragen: Gibt es nur drei Familien? (Leptonen: e + m + t) Wie berechnet man die Massen der Teilchen? Wie ist die elektrische Ladung bestimmt Alle Kräfte gleich? Elektrisch=Magnetisch=Schwach (ja) • Elektromagn. = Schwach = Kernkraft? (Große Vereinh. ) • Elektrisch=Schwach=Kernkraft=Schwerkraft? ? ? • • ENDE Physik jenseits des Standard Modells. Amand Fäßler, Tübingen 57
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