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Die Welt der Teilchen

Prof. André SchöningPhysikalisches InstitutUniversität Heidelberg

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Blick in die Tiefe des Universums

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Blick in die Tiefe des Universums

RAUM

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Blick in die Tiefe des Universums

RAUM

ZEIT

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Blick in die Tiefe des Universums

RAUM

ZEIT

MATERIE

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Von Materie ...

7

...zu Elementarteilchen

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Elementarteilchen ?

Alten Griechen

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Atomismums und Vakuum

Platon (ca. 428-348 v. Chr) und Aristoteles (ca. 384-322 v. Chr):

Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft

„Nicht seiendes“ gibt es nicht!

Symmetrie + Äther

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Demokrit (ca. 460-371 v. Chr) und Leukippos (5. Jahrh. vor Chr):

Atomismums und Vakuum

Materie besteht aus unteilbaren Bestandteilen (Atome)

Leerer Raum zwischen den Atomen (Vakuum)

Atomismus + Vakuum

Platon (ca. 428-348 v. Chr) und Aristoteles (ca. 384-322 v. Chr):

Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft

„Nicht seiendes“ gibt es nicht!

Symmetrie + Äther

Moderne Physik lehrt: alle hatten (zumindest teilweise) Recht !

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Struktur der MaterieStreuung von – Teilchen (Heliumkerne) an einer Goldfolie

Hans Geiger + Ernest Marsden 1911-1913

Rutherford Streuformel (Coulomb Potenzial):

Goldfolie

Messung des Streuwinkels

Rate ∝ Z1Z2 e2

4 E 1

sin 4/2

∝1

sin 4/2

Die Goldfolie ist überwiegen leer! (Demokrit)

Schlüsselexperiment!

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Elementarteilchen ?

Alten Griechen

Kollegen (Quantenfeldtheoretiker)

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Quantenfeldtheorie

„Ein Elementarteilchen ist

ein angeregter Quantenzustand

des Quantenfeld-Vakuums“

Physiker-Kollege:

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Quantenfeld-Vakuum = See

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angeregter Zustand = Teilchen

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Quantenphysik

„Ein Elementarteilchen ist diskreter

Zustand (abzählbar), der durch

eine definierte Masse und bestimmten

Quantenzahlen z.B. elektrische Ladung

und Spin charakterisiert ist“

Physiker-Kollege:

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Elementarteilchen ?

Masse

Spin

Ladung

angeregter Zustand

Quanten-Zustand

Vakuum

Äther

Raum + Zeit

Lebensdauer

Symmetrien

unteilbarer Zustand

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Diskreter Zustand

punktförmig (keine Struktur) → nicht weiter teilbar!

abzählbar

ununterscheidbar

e- e- e- e- e- e-

Elektronen

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Teilcheneigenschaften

e- e- e- e- e- e-

Elektronen

Geldstücke

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Teilcheneigenschaften

e- e- e- e- e- e-

definierte (einheitliche) Masse: m = me = 0.511 MeV/c2

definierte elektrische Ladung: Q = - e = 1.6 · 10-1 9 Coulomb

definierten Spin (Drehimpuls): J = ½ ħ

Elektronen

Geldstücke

21

Ununterscheidbarkeit

e- e-

Zeit A Zeit A

22

Ununterscheidbarkeit

e- e-

Zeit A Zeit A

e-

e-

Zeit B

Zeit B

23

Ununterscheidbarkeit

e- e-

Zeit A Zeit A

e-

e-

Zeit B

Zeit B

24

Ununterscheidbarkeit

e- e-

Zeit A Zeit A

e-

e-

Zeit B

Zeit B

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UnschärferelationWichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik:

Heisenberg'sche Unschärferelation

px⋅ x ≥ ℏ

Impuls pX und Ort x können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden!

(Planck'sche Konstante)

ℏ = 10−34 Js = 10−34 kgm2

sPlanck'sches Wirkungsquantum

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UnschärferelationWichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik:

Heisenberg'sche Unschärferelation

px⋅ x ≥ ℏ

Impuls pX und Ort x können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden!

(Planck'sche Konstante)

ℏ = 10−34 Js = 10−34 kgm2

sPlanck'sches Wirkungsquantum

me= 0.511MeVc2

= 0.91⋅10−30 kgElektronen Masse:

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Unschärferelation Beispiel

p e-

?

vy = 0 ± 10 cm/s

y = 0 ± 1 mm

me⋅v y⋅ y ≥ ℏ

ElektronProton

28

Bahndrehimpuls

e-

?

?

?

p

L = p×rLZ 0

LZ = 0

LZ 0

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Quantisierter Bahndrehimpuls

e-p

LZ = ℏ

LZ = 0

LZ =−ℏ

L ist gequantelt! → Wahrscheinlichkeiten

30

e-

Doppelspaltexperiment

funktioniert mitLicht (Photonen) undTeilchen (z.B. Elektronen)

Ereignis

Wahrscheinlichkeits-verteilung zeigtInterferenzmuster!

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InterferenzenA = A

1 + A

2

A2

32

Wahrscheinlichkeiten

„Gott würfelt nicht“ (Albert Einstein)

Experimente: die Natur würfelt!

P =∗ =∣∣

2

Wahrscheinlichkeit der Beobachtung:

Teilchen werden durch eine komplexe Wellenfunktion beschrieben

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Erste Zusammenfassung

Teilchen

sind punktförmige diskrete Zustände

mit definierter Masse und Quantenzahlen,

die Ausbreitung wird im Rahmen der Quantenmechanik mit Wellenfunktionen beschrieben

Beobachtungen („Ereignisse“) werden durch Wahrscheinlichkeiten beschrieben

34

Wechselwirkung von Teilchen

e- e-

Zeit A Zeit A

e-

e-

Zeit B

Zeit B

?

S = 1

35

Wechselwirkung von Fermionen

µ- e-

Zeit A Zeit A

e-Zeit B

Zeit B

?

µ-

Spin =1/2 ħ

Spin-Flip!

S = 1

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µ- e-

Zeit A Zeit A

e-Zeit B

Zeit B

γ

µ-

Spin =1/2 ħ

Austausch-Bosonen(Kraftteilchen)

Photon

Wechselwirkung von Fermionen

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Kraftteilchen (Bosonen) Spin =1 ħ

γPhoton elektro-magnetisch

AustauschkraftTeilchen

Graviton G Massenanziehung

Gluon g Farbkraft (starke WW)

W± , Z0 -Bosonen schwache Wechselwirkung

38

Kraftteilchen (Bosonen) Spin =1 ħ

m = 0 ∞

ReichweiteMasse

mG = 0 ∞

mg = 0 ∞

mW

= 80 GeV/c2 10 - 1 8 m

39

Unschärferelation

Energie und Zeit

E⋅ t ≥ ℏ

Energie E und Zeit t können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden!

(Planck'sche Konstante)

Für eine kurz Zeit t ist die Energie E unscharf

t = 10−26s E ~ 80GeV /c2

40

Quantenfeldtheorie

Z W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Vakuum ist ein „See“ aus virtuellen Teilchen

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Quantenfeldtheorie

Z W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

Z

W

G

g

e

d

u

neutron

42

neutron

n

W- Boson

43

Quantenfeldtheorie

W- Boson

neutronneutron

proton

Elektron

Anti-Neutrino

n

p e-

t = 10−26s

44

TeilchenerzeugungKann man gezielt ein W± -Boson oder Z0-Boson aus dem Vakuum erzeugen?

45

TeilchenerzeugungKann man gezielt ein W± -Boson oder Z0-Boson aus dem Vakuum erzeugen?

Ja! Wenn man Energie in Masse umwandelt!

46

Woher kommt das Licht der Sonne?

47

Woher kommt das Licht der Sonne?

aus Materie!

48

Woher kommt das Licht der Sonne?

Kernfusion

49

Woher kommt das Licht der Sonne?

Kernfusion

E0 = mc2

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Teilchenerzeugung

e-

e+

Positron

Elektron

Z0 -Boson

51

LEP Beschleuniger am CERN1989-2000

e-

e+

Positron

Elektron

Z0 -Boson

e+

e-

52

Ergebnisse e+e- Beschleuniger

Z Resonanz-Peak

53

Standardmodel der Teilchenphysikelementare Teilchen:

strukturlos

punktförmig

3 Generationenvon Fermionen

4 Bosonen (Austauschteilchen)

, Z , W ± , g

54

55

Ungelöste Probleme der Teilchenphysik

1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?

56

~72% „Dunkle Energie“ im Universum

~23% „Dunkle Materie“ im Universum

Universum

~4% gewöhnliche Materie (Baryonen, Elektronen, Neutrinos)

57

Ungelöste Probleme der Teilchenphysik

1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?

2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?

58

~100% Materie

~0% Antimaterie

Universum

59

60

Antimaterie + Materie ↔ Energie

Proton

Photon

Antiproton

61

Antimaterie + Materie ↔ Energie

Proton

Photon

Antiproton

62

Energie ↔ Antimaterie + Materie

Proton

Photon

Antiproton

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Energie ↔ Antimaterie + Materie

Proton

Photon

Antiproton

Wie entsteht eine Asymmetrie?

64

Ungelöste Probleme der Teilchenphysik

1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?

2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?

3. Woher kommt Masse vom W± und Z0 ?

65

Woher kommt Masse?

Wie entstehtMasse?

Urkilogramm (Paris)

66

Quantenfeldtheorien

Teilchen werden in Quantenfeldtheorien

durch Quantenfelder ()

beschrieben:

Wahrscheinlichkeiten =

Postulat: zusätzliches skalares Higgs Quantenfeld (Teilchen)

67

Der Higgs-Kibble Mechanismus

mexican hut

Brechung der Rotationssymmetrie

skalares Higgs-Feld:

V = − M

2 02 ∗− 0

2 2

0

M

Higgs Feld koppelt an alle bekannten Elementarteilchen Masse

(1964)

Peter Higgs

Higgs Potential

00

68

Die Higgs-Kopplung

V

ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse

0

0

69

Die Higgs-Kopplung

ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse

V

0

0

70

Die Higgs-Kopplung

ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse

V

0

0

71

Die Higgs-Kopplung

ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse

V

0

0

72

Die Higgs-Kopplung

ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse

V

0

0

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Die Higgs-Kopplung

ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse

V

0

0

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Frage des englischen Bildungsminister William Waldegrave 1993

Antwort: von David Miller, University College

Was ist das Higgs-Teilchen und

warum wollen wir es finden?

75

Cocktailparty

Gäste bilden einen „See“ aus Higgs-Teilchen

76

Bekannte Politikerin tritt ein

Der prominente Gast erhält Masse

77

„Heiße“ Nachricht erreicht Party

Gäste lassen sich durch Neuigkeit „anregen“

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Das angeregte Higgs-Feld hat eine Masse

„Heiße“ Nachricht erreicht Party

79

Was wissen wir über das Higgs?

Masse

Massengrenzen:

114 GeV M H 163 GeV

kann beim Large Hadron Colliderentdeckt werden!

80

Proton - Proton Kollisionen:

7 TeV 7 TeV

~10 km

CERN (Genf)Large Hadron Collider

81

ATLAS Experiment bei LHC(CERN, Genf)

● mehr als 150 Institute● etwa 2500 Kollaborateure● größter Detektor ● Datennahme ab Ende 2009

Untersuchung von Proton-ProtonStreuung bei höchsten Energienvon 14 TeV

82

simulierter Higgs Zerfall bei LHC

e

e

83

Ungelöste Probleme der Teilchenphysik

1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?

2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?

3. Woher kommt Masse vom W± und Z0 ?

4. Struktur und Massen der Fermionen?

84

Masse der Fermionen

Gold

Proton

Top Quark (t):

Neutrinos:

M top = 171 GeV

M ≪ 0.4 eV

= 0.17⋅1012 eV

85

Top Quark m = 171 GeV/cTop Quark m = 171 GeV/c22

Neutrinos: m Neutrinos: m ≈≈ 0.01 - 0.1 eV/c 0.01 - 0.1 eV/c22

Verhältnis der Teilchenmassen

Proton: m Proton: m ≈≈ 1 GeV/c 1 GeV/c22

Elektron: m ≈ 0.5 MeV/c2

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Ungelöste Probleme der Teilchenphysik

1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?

2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?

3. Woher kommt Masse vom W± und Z0 ?

4. Struktur und Massen der Fermionen?

5. Was passiert bei hohen Energien? Neue Physik? Überaschungen?

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Proton - Proton Kollisionen:

7 TeV 7 TeV

~10 km

CERN (Genf)Large Hadron Collider

Viel Spass!