An der Grenze des Stofflichen Vortrag zur Ausstellung Elementarteilchenphysik im BRG 10 H. Eberl...

An der Grenze des Stofflichen

Vortrag zur Ausstellung “Elementarteilchenphysik” im

BRG 10

H. EberlInstitut für Hochenergiephysik der ÖAW

Nikolsdorfer Gasse 18, 1050 Wien

H. Eberl 11. Jänner 2005

Meine wissenschaftliche Tätigkeit

– Wo bin ich angestellt? am Hephy (Institut für Hochenergiephysik)

– Was mache ich dort? Ich bin theoretischer Physiker und arbeite auf dem

Gebiet derSupersymmetrie

– Welche “Werkzeuge” brauche ich?• Höhere Mathematik• Physik: Spezielle Relativitätstheorie, Quantenmechanik ,

Symmetrien Quantenfeldthorie


Institut für Hochenergiephysikder Österreichischen Akademie der Wissenschaften1050 Wien, Nikolsdorfer Gasse 18

Hochenergiephysik = (Elementar) Teilchenphysik

Gegründet: 1966

Experimentelle Hauptaufgaben:

• Teilnahme an Experimenten der Teilchenphysik am Europ. Forschungszentrum CERN in Genf

• derzeit auch an einem Experiment im Forschungslab KEK in Japan beteiligt


Mitarbeiter

23 Experimentalphysiker 4 Theoretische Physiker

13 Techniker 4 EDV-Spezialisten 4 Mechaniker 3 Administration

Ex

Th Techn

EDVMech

Ad

Experimentalphysiker: 19unbefristet

4 befristet

Theoretische Physiker: 3 unbefristet

1 befristet


Fachbereiche :

Halbleiterdetektoren Algorithmen und SoftwareentwicklungPhysikalische DatenanalyseElektronik IElektronik IIRechentechnik Werkstatt

Konferenzen Ausstellungen

Experimente:CMSNA48BELLE

Theorie/Phänomenologie

Projekte

Theorie/Phänomenologie


Mitarbeiter

Walter Majerotto

Helmut Eberl

Wolfgang Lucha

Christian Weber – Doktorand, befristet angestellt

Karol Kovarik - DoktorandWilhelm Öller – DoktorandGoran Milovanovic - DiplomandBernhard Schraußer – DiplomandGeorg Sulyok – Diplomand


Arbeitsgebiete

Supersymmetrie (SUSY)H. Eberl, K. Kovarik, G. Milovanovic, W. Majerotto, W. Öller, B. Schraußer, Georg Sulyok, C. Weber

Bindungszustände von Quarks,Endliche QuantenfeldtheorienW. Lucha(Organisator von Austellungen)


Theorie - Experiment

In der Theorie werden unterschiedliche möglicheModelle studiert und damit Vorhersagen getroffen.

Experimente vergleichen diese Vorhersagen mitgemessenen Größen und finden somit heraus,

welchesModell die Realität am besten beschreibt.

Um nun im Mikrokosmos etwas “sehen” zu können, brauchen wir einen Apparat zum Vergrößern.


Mikroskop - BeschleunigerDa bietet sich vor allem das Mikroskop an. Der mögliche Vergrößerungsfaktor x hängt nun vom Auflösungsvermögen ab, in einfachen Worten: Bis zu welchem kleinen x kann man zwei Punkte noch als getrennte Objekte erkennen? Das hängt von der Wellenlänge des verwendeten Untersuchungsstrahles (klassisch: Licht) ab. Je kleiner seine Wellenlänge, desto hochenergetischer

wird der Untersuchungs-strahl (Planck: E = h c/) und desto tiefer dringt man in den Mikro-kosmos vor.

Elementarteilchen sind zugleich Welle und Teilchen!De Broglie, 1924, Elektron: h/p ~ h/(2 me e U)1/2 ~ 12.3 /(U/Volt)1/2 U -Beschleunigungsspannung


Lichtmikroskop – x bis ca. 1000 fach ~ m = 10-6 m

Elektronenmikroskop – x in Praxis bis ca. 1000 000 fach ~ nm = 10-9 m

LHC (large hadron collider) ~ 10-18 mProton-Proton Kollisionen

Der LHC ist derzeit noch im Bau, Fertigstellung 2007 (?)

Beschleuniger: Energie so hoch, daß neue Teilchen erzeugt werden können (Einstein: E = m c2)

LHC und LEP gehören zu den sogenannten Ringbeschleunigern. LHC wird anstatt LEP in den LEP-Tunnel eingebaut. Der Tunnel ist ringförmig,hat einen Umfang von 27 km, und befindet sich im CERN/Genf.

LEP ist seit 2002 nicht mehr im Betrieb. LEP ~ 10-16 m = 0.000 000 000 000 000 1 m!


Prinzip eines KreisbeschleunigersPrinzip eines Kreisbeschleunigers


Moderne Experimente Das CMS-Experiment


Moderne Experimente

Endcaps des KalorimetersEndcaps der Driftkammer

Stand Juni 2004

Das CMS-Experiment


KräfteKräfte TeilchenTeilchen

spin = Eigendrehimpuls

Spin 1Spin 1 Spin 1/2Spin 1/2

BosonenBosonen FermionenFermionen

bilden Materie= Stofflichkeit

elektromagnetische,schwache, starke Kraft,Gravitation

Photon,W- und Z-Bosonen, Gluonen,Gravitonen (?)

Kraft – FeldKraft – Feld TeilchenTeilchen=Wechselwirkung


Symmetrien-Erhaltungssätze


Das Symmetrieprinzip:Bestimmte Transformationen müssen die Form der Naturgesetze unverändert lassen.

Auch bei Spiegelung undFarbänderung bleibt die

Monroe immer die Monroe


Emmy Noether 1918:

Jede Symmetrieeigenschaft hat einen Erhaltungssatz zur Folge!

Paritätx’ = - xAbsolut rechts (links)

Bose-Einstein oderFermi-Dirac Statistik

PermutationAustausch identischer Teilchen

DrehimpulsDrehungIsotropie des Raumes

Energiet’ = t + t0Homogene Zeit

Impulsx’ = x + x0Homogener Raum

ErhaltungsgrößeSymmetrie-transformation

Symmetrieeigenschaft

Einige Beispiele:


Ein konkretes Beispiele: Neutronzerfall

Energieerhaltung: mn > mp + me

1.00867 > 1.00727 + 0.00055

Impuls- und Drehimpulserhaltung(führte zur Entdeckung des Elektronneutrinos)

Erhaltung der elektrischen Ladung:0 = +1 – 1 + 0

Erhaltung der Baryonzahl:+1 = +1 + 0 + 0

Erhaltung der Leptonzahl:0 = 0 + 1 - 1

n p + e- + e Neutron zerfällt in ein Proton + Elektron + Antielektronneutrino


Symmetriebrechung

In der Natur sind Symmetrien selten streng erfüllt.Erst daraus folgt deren Schönheit!

Beispiele:Teilchen-Antiteilchen AsymmetrieSupersymmetrie muß gebrochen sein.Isospin ist bei schwacher Kraft gebrochen, …Higgseffekt – spontane SymmetriebrechungTeilchen erhalten dadurch erst Masse!


Teilchenphysik und Kosmologie

t = 0 s

Urknall: Alle vier Grundkräfte (Gravitation,elektromagnetische, schwache und starke Kraft)

sind bei der sog. Planck-Energie (1019 GeV) vereinheitlicht

t = 10-35 s

Die starke Kraft spaltet sich bei 1016 GeV ab

t = 10-10 s

Elektroschwache Symmetriebrechung bei 102 GeV:Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung

entstehen

t = 3 min

Leichte Atomkerne entstehen bei 0.1 MeV

t = 105 y

Atome, die Bausteine der Materie,entstehen erst nach ca. 100.000 Jahren


Fermionen (Spin ½)

Ladung

0

-1

+2/3

-1/3

d

uu

du

d

Leptonen Quarks

+1 0 Proton Neutron

Baryonen

Wechselwirkungen

stark

schwach

Schwerkraft?

Schwache KraftW, Z

Elektromagn. Kraft

Starke Kraftg

Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)

e

e

u c t

d s b

Das moderne Bild- das „Standardmodell“


d

u

s

c

b

t

e

e

Anti-Teilchen Wechselwirkungenstark

schwach

e

Ladung

0

+1

-2/3

+1/3

Schwerkraft?

Schwache KraftW, Z

Elektromagn. Kraft

Starke Kraftg

e

d

u

s

c

b

t

Leptonen Quarks

Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)

Das moderne Bild- das „Standardmodell“


Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber …

Das Standardmodell Das Higgs-Boson

Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Dennoch wurde das Standardmodell in vielen Präzisionsmessungen hervorragend bestätigt.

Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik.


Supersymmetrie

Der Weg zur allumfassenden Theorie?

Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grund-prinzipien der Natur manifestieren.

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.


Bosonen FermionenIn einer supersymmetrischen Theorie treten Fermionen und Bosonen immer paarweise auf. Wenn die Natur wirklichsupersymmetrisch ist, muß es daher zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchenein supersymmetrisches Partnerteilchen geben.

SUSY - die wahre Liebeder Teilchenphysiker?

SUSY Teilchenspektrum. Grün: bekannte Teilchen des Standardmodells. Rot: gesuchte neue Teilchen.


SUSY-Teilchen im Experiment

Rechts sieht man die schematische Darstellung von Produktion und Zerfall von SUSY Teilchen am LHC.

Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am Tevatron in den USA, am LHC im CERN und am geplanten e+ e- Linear Collider.

SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen.

Rechts daneben die Simulation der entsprechenden Signatur für den CMS Detektor.


Virtuelle Welt

Wo ist nun die Grenze des Stofflichen? Infolge der Heisenberg’schen Unschärferelation laufen in einer kurzen Zeitspanne t Prozesse ab, die Energie- und Impulssatz verletzen. Es bilden sich sogenannte loops.Je mehr “Ordnungen” von loops man in einer Rechnung einbezieht, desto mehr erfährt man vom “Ganzen”.

1/(1 – x) = 1 + x + x2 + x3 + …

Ein Beispiel: Bei LEP wurde aus der genauen Messung der Lebensdauer des Z-Bosons die Masse des top-quarks erfolgreich vorhergesagt!


Sfermion-Produktion mit einem e+ e- Collider

(einige Feynman Graphen)

Tree-level Graphen:

One-loop level O(hf2)

Selbstenergien:


One-loop level O(hf2)

Vertex Graphen:


Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik(die zur Zeit experimentell untersucht werden)

• Wie bekommen die Teilchen eine Masse? (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen?)

• Warum sind diese Massen so unterschiedlich?

• Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie (SUSY) ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen.

• Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums?

• Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?

• Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse?

• Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich der Gravitation?

• Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …)

Die „neue“ Physik


Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik:– Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie?– Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie?

Woher kommt die Dunkle Energie?

Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik des ganz Kleinen geben – die Elementarteilchenphysik


Atome (Bekannte Materie)

3% Dunkle Materie23%

Dunkle Energie74%



Es sind noch lange nicht alle Rätsel des Universums gelöst…

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