21. Oktober 2008 Helmut Eberl Reise in die subatomare Welt Ausstellung LHC2008.

21. Oktober 2008

Helmut Eberl

Reise in die subatomare Welt

Ausstellung LHC2008

Thomas Bergauer

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Helmut EberlLHC200821. Oktober 2008

Was ist ein Elementarteilchen?

Elementar: Bis heute keine Zusammensetzung aus noch kleineren Teilchen gefunden.

Quantentheorie:Materie- und Kräfteteilchen haben sowohl Wellen- als auch TeilchencharakterWelle-Teilchen Dualismus

Beispiele:

e-

Elektron

PhotonLichtteilchen


P+

e-

Das Wasserstoffatom

Gebundener Zustand - Elektromagnetismus

Photonaustausch


10-14 mP+

e-

e-

e-

e- 10-14 m

< 10-18 m

10-10 m


P+

besteht aus zwei up quarks und einem down quark!

d

uu

Der Wasserstoffkern – das Proton

Elektrische Ladung 2/3

2/3

- 1/3

Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt!

Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen?


Die starke Kraft (Kernkraft)

d

uu ggg

gggg

3 Farbladungen8 Gluonen

Messbare Objekte sind farbneutral. Es existieren somit keine freien quarks –“confinement”. (Nobelpreis 2004 an D. Gross, H.D. Politzer, and F. Wilczek)

(Farbe dient hier nur als anschauliches Analogon)


d

u

ggg2 quarksNicht erlaubt!


u

dggg

Pion +

1/3

2/3

Drei Bindungsmöglichkeiten: (q q q) = (Proton, Neutron, …) (q q q) = (Antiproton, Antineutron, …) und (q q) = (Pionen, …)


Antiteilchen:Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen,aber umgekehrte Ladungen (additive Quantenzahlen)

e- e+

up anti-up

Elektron Positron

u u


P+

besteht aus einem up quarks und zwei down quarks!

d

du

Das Neutron

2/3

- 1/3

- 1/3

2/3 = -1/3 + 1

Zusammenhang mit Proton: du + ?+


d

uu

Proton

Die schwache Kraft

Im Zentrum der Sonne wird Wasserstoff (= Protonen) zu Helium (zwei Protonen und zwei Neutronen) fusioniert. Dadurch leuchtet sie. Doch wie funktioniert das im Detail?

Startprozess ist die Fusion von 2 Protonen zu Deuterium. Dabei wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und sendet ein

W+ -Boson (Vermittler der schwachen Kraft) aus, das in ein e+ und e-Neutrino zerfällt.

e+

e

W+

d

du

Neutron


Dieses Bild zeigt die Sonne aus der Sicht vom Soft X-Ray Telescope (SXT) an Bord des Yohkoh SatellitenQuelle: NASA Goddard Laboratory for Atmospheres

Erde


In der Sonne dauert es im Schnitt 109 Jahre, bis ein bestimmtes Proton mit einem anderen reagiert. Durch die große Anzahl von Protonen im Sterninneren geschieht dies jedoch häufig genug, um die Reaktion kontinuierlich ablaufen zu lassen.

1H+ + 1H+ → 2H+ + e+ + e + 0,42 MeV(e+ + e- → 2 + 1,022 MeV)

3He2+ +3He2+ → 4He2+ + 1H+ + 1H+ +

12,86 MeV

e e

e

2H+ + 1H+ → 3He2+ + + 5,49 MeV Nach ca. 1,4 Sekunden:

Kernfusion in der SonneProton-Proton-Reaktion I: 91%


Es gibt 3 Vermittlerteilchen der schwachen Kraft:

W+

W-

Z0Sie sind sehr schwer (80 u. 91 GeV) und wurden dahererst 1983 im CERN am SPS Ring entdeckt (Nobelpreis 1984an S. van der Meer und C. Rubbia).

Kräfte sind Spezialfälle von Wechselwirkungen, da viele Teilchen auch zerfallen und bei entsprechend hohen Energien infolge ERuhe = m c2 produziert werden können!


-e

2.

Gen

.

-

c

s

Das Standardmodell der ElementarteilchenEl.

Lad

un

g

2/3

-1/3

0

-1

Materie

e-

e

u

d

1.G

en

.

3.

Gen

.

-

t

b

2.

Gen

.

+

c

s

3.

Gen

.

+

t

b

e+

1.G

en

.

-2/3

1/3

0

+1

Antimaterie

u

e

d


Kräfte

g

g

g

g

g

g

W+

W-

Z0

ggg

gg

ElektromagnetischeKraft

Photon

SchwacheKraft

W- u. Z-Bosonen

StarkeKraft

Gluonen

Gravitation – Graviton? extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften, in Beschleunigerexperimenten vernachlässigbar


Das Standardmodell ist nun komplett, außer dem ominösen Higgs-Teilchen.

1964 entwickelte der britische Physiker Peter Higgs einen formalen Mechanismus, durch den zunächst masselose Teilchen durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld (dem Higgs-Feld) massiv werden.

Das Higgs-Boson ist für die Teilchenphysik vor allem deshalb so wichtig, weil es – bisher – die einfachste bekannte und experimentell konsistente Erklärung dafür ist, wie die Kraftteilchen eine Masse haben können – denn die grundlegende Theorie erfordert masselose Kraftteilchen, da sie ansonsten mathematisch nicht funktioniert.

Die W- und Z-Bosonen, haben aber sogar eine recht große Masse!

Der Higgs-Mechanismus erklärt nun, wie eigentlich masselose Kraftteilchen durch Wechselwirkung mit dem Higgsfeld eine Masse erhalten können. Weiter gelingt so die Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung, da beide auf nur eine, grundlegende "elektroschwache" Wechselwirkung mit (ursprünglich) lauter masselosen Kraftteilchen zurückgeführt werden können. Da viele spezielle Eigenschaften einer solchen elektroschwachen Wechselwirkung sich experimentell sehr gut bestätigt haben, gilt das Standardmodell mit einem Higgs-Teilchen als durchaus gut abgesichert.

Sollte das Higgs-Teilchen existieren, dann wird es mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit am LHC entdeckt werden!


Der Weg zur allumfassenden Theorie?

Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das sog. Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten.

Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien der Natur manifestieren. ( Vortrag Laurenz Widhalm)

Supersymmetrie


Supersymmetrie ist die attraktivste Erweiterung des Standardmodells (SM).

• Sie löst das Hierarchieproblem• kann die elektromagnetische, schwache und starke Kraft vereinheitlichen• ist die einzige nichttriviale Erweiterung der SM Gruppenstruktur• Das LSP ist ein sehr guter Kandidat für die Dunkle Materie

– mehr Details dazu im Vortrag von Robert Schöfbeck.

Der zu zahlende Preis ist hoch, das Teilchenspektrum wird mehr als verdoppelt!


Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am LHC im CERN.

SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen.


Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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