Masterclasses Hands-on Particle Physics

MasterclassesHands-on Particle Physics

- Technische Universität Dresden -Montag, 21. Juni 2010

21.06.2010 Masterclasses, Frank Seifert, Michael Stoebe, Dr. Uta Bilow

08.30 – 10.30 Uhr Einführung

10.30 – 11.00 Uhr Pause und Fragen

11.00 – 12.00 Uhr Datenanalyse

12.00 – 12.15 Uhr Auswertung

Ablauf des Tages

Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09

Einführung Elementarteilchen

• Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik?

Zum Aufbau der Welt? Zum Universum?

Warum Elementarteilchenphysik??

• Welches sind die kleinsten Bausteine (fundamentalen Teilchen)?

• Welche Kräfte halten alles zusammen?

• Gibt es eine einfache, einheitliche Beschreibung für

das Ganze?

• Woraus bestehen wir und unsere Welt?

Aufbau der Materie – Das Standardmodell

Sichtbare Materie

El. Ladung

Sichtbare Materie

El. Ladung

Antimaterie

• Woher weiß man das?

Nützliche Einheiten für Teilchen

• Größe:1 fm = 1 Femtometer („Fermi“) = 10-15 m(1 mm = 1.000.000.000.000 fm)

• Energie:1 ElektronVolt = 1eV

• 1 GeV: „viel“ für ein Teilchen, aber makroskopisch winzig:könnte Taschenlampe (1,6 Watt) für ganze0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten bringen

Teilchenphysik = Hochenergiephysik?

2/ ΔpΔx

E=mc²

• Sehen = Abbilden

Abbilden = Struktur auflösen(funktioniert auch ohne Licht!)

Teilchenbeschleuniger als Mikroskope

• „Auflösungsvermögen“ : Treffgenauigkeit << Größe der StrukturenProjektilgröße << Größe der Strukturen

• Treffgenauigkeit = 200 fm / Energie (in MeV)

Beispiel:0,2 µm bei E = 1 eV 200 fm bei E = 1 MeV = 1000 keV 0,2 fm bei E = 1 GeV = 1000 MeV

>0,15µm

Unbekanntes Objekt in einer Höhle

• Projektil: Basketbälle

• Projektil: Tennisbälle

• Projektil: Murmeln

...Nichts wie weg !

• Habt ihr auch daheim!

• Funktionsprinzip:

• Linearbeschleuniger: DESY (Hamburg)

Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger

Bis 2000: e-e+ bei LEP (CERN)

Strahlenergie

Ee= 40-100 GeV

Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren

• Elektronische Bilder

CERN, Genf, bis 2000

Die nächste Generation:Der Large Hadron Collider LHC

Kollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen

LHC Energie

• Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ

Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs

120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h

Nadelöhr:0.3 mm Durchmesser

Protonstrahlen am Kollisionspunkt:0.03 mm Durchmesser

Bilder vom LHC

170 Universitäten undInstitute aus 35 Ländern

TU Dresden: ATLAS Experiment

Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

Ziele: Suche nach Neuem

• Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?)• Supersymmetrie (Dunkle Materie?)

nur 5% des Weltalls ist „normale“ Materie • zusätzliche Raumdimensionen

Zusammenfassung Bausteine

• Fundamentale Bausteine der Materie:

– Alle punktförmig • Welche Kräfte halten die

Bausteine zusammen?• Was ist überhaupt eine

fundamentale Kraft ?

Allgemein: – Kraftwirkung zwischen Teilchen– Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion

Die 4 Kräfte- Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen -

Prinzip von Kraftwirkungen

• Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung• Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung• Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen

Abstoßend Anziehend

Was ist eigentlich eine Ladung?

• Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens

• Additiv:

Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B)

• Kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vor

• Ladung ist erhalten,

d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren

Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen

Die 4 Kräfte

Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion

Die 4 Kräfte

Kernzerfälle, Radioaktivität,

Die 4 Kräfte

Kernzerfälle, Radioaktivität,

Kosmos, Planetensysteme, Galaxien?

1) Elektromagnetische Kraft

● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Trägt selbst keine Ladung➔ Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r2 ab)● Koppelt an elektrische Ladung

1) Elektromagnetische Kraft

Ein Ladungstyp mit zwei Zuständen: Ladung und Antiladung

“plus” “minus”

+ - Ladung 0

2) Starke Kraft

● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Koppelt an starke Farbladung● Trägt selbst starke Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung

2) Starke Kraft

Drei Ladungstypen Rot+ Antirot

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

2) Starke Kraft

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

2) Starke Kraft

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

2) Starke Kraft

Beispiel: Proton

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

2) Starke Kraft

Proton

Farbneutral

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

2) Starke Kraft

Proton

Farbneutral

+2/3 +2/3

-1/3Elektrische Ladung = +1

Grün+ Antigrün

Blau+ Antiblau

3) Schwache Kraft

Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion

+, W- und Z0 Boson➔Hohe Masse (80 – 90 GeV)●

Tragen selbst schwache Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen

3) Schwache Kraft

• Ein Ladungstyp: I3

• Tragen alle Bausteinteilchen

z.B. Betazerfall:

3) Schwache Kraft

Unterdrückung der effektiven Kopplung

• Ein Ladungstyp: I3

• Tragen alle Bausteinteilchen

z.B. Betazerfall:

Scientific American, 1997

Die Massen der Elementarteilchen

Woher kommen die Teilchenmassen?

Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich.

Großer Forschungsschwerpunkt am LHC!

Antimaterie• Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchenmit umgekehrten Ladungsvorzeichen• Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich• Aus Botenteilchen können paarweiseMaterie- und Antimaterieteilchen entstehen• Umgekehrt können Sich diese wieder zu Botenteilchen vernichten, z.B.e+ + e- Z0 , am besten wenn 2Ee=mZc2

mZ 2Ee

Z “Zerfälle“

• Das Z Teilchen ist nicht stabil• Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere

Teilchen um

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 LöcherVerhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten ~ Größenvergleich der

Kopplungen

Aufgabe für danach!

Ergebnisse hochaktuellVeröffentlicht inPhysics Reports,

Mai 2006

Teilchenidentifikation = Detektivarbeit

• feststellbareTeilcheneigenschaften:– aus Quarks („Hadronen“)– elektr. geladen / ungeladen– leicht / schwer

• Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten

• Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

Detektorverhalten

„Teilchen-Jet”

Zusammenfassung • Die unterschiedlichen Ladungen

bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen

• Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren

Hadronen

PionMyon

Schnitt durch einen Sektor des CMS DetektorsTeilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen

Press “escape” to exit

Zusammenhang mit Entwicklung des Universums

Für die ganz Neugierigen

BACKUP

• Ändern von mu ,md oder me hätte

– kaum Effekt auf Atommassen – kaum Effekt auf Materiedichte – riesigen Effekt auf Verhalten der Materie

• Erniedrige mW auf die Hälfte

– Sonne brennt viel zu schnell f. Evolution d. Lebens

• Erniedrige md – me um 1 MeV/c2

– ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs

– keine Wasserstoff-Atome, n stabil

• Erniedrige md – mu um 2 MeV/c2

– Proton- und Deuteriumzerfall– Keine Sterne– nur neutrale Teilchen (n, ...)

Die Bedeutung der Teilchenmassen

Tatsächlicher Ablauf

Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse

Kleinere W-Masse

Tatsächlicher Ablauf

Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse

Kleinere W-Masse

Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich.

Großer Forschungsschwerpunkt am LHC!

Auf der Suche nach der „Weltformel“

heutigeexperimentelle

Grenze

Fortschritt der PhysikZurück zum Urknall

Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets• e-p Kollisionen bei HERA am DESY

30 GeV e ¯ p 800 GeV

frühes Universum: Temperatur 1015 K Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV

alle Teilchen kollidieren unkontrolliert

gezielte, kontrollierteeinzelne Kollisionenund deren Aufzeichnung

Teilchenbeschleuniger: Bewegungsenergie der Teilchen: 100 GeV

Protonen und Neutronen sind nicht elementar!• Indirekte Hinweise: z.B. Ordnungsschema (60er Jahre)

• Direkter Beweis: Beschuss mit Elektronen Quarks1970: Stanford, Kalifornien; seit 1989: DESY, Hamburg

• Nötige Treffgenauigkeit: << 1 fm Energie >> 0,2 GeV

• Resultat: 1 fm

Ein Blick in den Tunnel

• Der LHC verschafft uns erstmals Zugang zu– Strukturen und Abständen von 10-19 Metern– Massen auf der Teraskala (E = mc2 = 1TeV)– Entwicklung des Universums nach dem Urknall

von 0,000.000.000.001 s bis 0,000.01 s

primäres Teilchen trifft auf

Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe

Atmosphär

He, ...

Entdeckt: 1937-1947

wie e, nur 200x schwerer

mehrere Teilchen-Familien!

Die 4 Detektoren am LHC

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