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H. Eberl ELEMENTARTEILCHEN – Vorstoß in den Mikrokosmos
An der Grenze des Stofflichen
ELEMENTARTEILCHENVorstoß in den Mikrokosmos
H. EberlInstitut für Hochenergiephysik der ÖAW
Nikolsdorfer Gasse 18, 1050 Wien
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Meine wissenschaftliche Tätigkeit
– Wo bin ich angestellt? am Hephy
– 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
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
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
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Mitarbeiter
23 Experimentalphysiker 4 Theoretische Physiker
13 Techniker 4 EDV-Spezialisten 4 Mechaniker 3 Administration
Ex
Th TechnEDV
MechAd
Experimentalphysiker: 19unbefristet
4 befristet
Theoretische Physiker: 3 unbefristet
1 befristet
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Fachbereiche :
Halbleiterdetektoren Algorithmen und SoftwareentwicklungPhysikalische DatenanalyseElektronik IElektronik IIRechentechnik Werkstatt
Konferenzen Ausstellungen
Experimente:CMSNA48BELLE
Theorie/Phänomenologie
Projekte
H. Eberl ELEMENTARTEILCHEN – Vorstoß in den Mikrokosmos
Theorie/Phänomenologie
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
MitarbeiterWalter MajerottoHelmut EberlWolfgang LuchaChristian Weber – Doktorand, befristet angestellt
Karol Kovarik - DoktorandWilhelm Öller - Diplomand
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Arbeitsgebiete
Supersymmetrie (SUSY)H. Eberl, K. Kovarik, W. Majerotto, W. Öller, C. Weber
Bindungszustände von Quarks,Endliche QuantenfeldtheorienW. Lucha
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Theorie - ExperimentIn 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.
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Mikroskop - BeschleunigerDa bietet sich vor allem das Mikroskop an. Der mögliche Vergrößerungsfaktor x hängt nun vom Auflösungsvermögen ab, in einfachen Worten: Bis zu welchem x kann man zwei Punkte 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
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
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 KollisionenDer 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!
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Prinzip eines KreisbeschleunigersPrinzip eines Kreisbeschleunigers
H. Eberl ELEMENTARTEILCHEN – Vorstoß in den Mikrokosmos
e- e+
Elektron Positron(=Anti-Elektron)
e- e+
Large Electron Positron Collider
Energie des Zusammenstoßes ist 200 GeV !das entspricht einem Kondensator mit der Spannung von 2*1011 Volt, das sind 200 Milliarden Volt.
NeueTeilchen
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Ein Blick auf den ALEPH Detektor von LEPEin Blick auf den ALEPH Detektor von LEP
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Kräfte Teilchen
spin = Eigendrehimpuls
Spin 1 Spin 1/2Bosonen Fermionen
bilden Materie= Stofflichkeit
elektromagnetische,schwache, starke Kraft,Gravitation
Photon,W- und Z-Bosonen, Gluonen,Gravitonen (?)
Kraft – Feld Teilchen=Wechselwirkung
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QuantenfeldtheorieKlassische Felder werden zu Quantenoder anders gesagt: Kräfte sind auch als Teilchen interpretierbar – z.B. Photon
Klassische Teilchen werden zu FeldernBeispiele: alle Materiebausteine – Quarks und Leptonen,up-quark, down-quark, e-, e+, neutrinos, …
Felder breiten sich endlich schnell ausSpezielle Relativitätstheorie – Lichtgeschwindigkeit cist in allen Inertialsystemen konstant.
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Quanten können produziert und vernichtet werden und besitzen Quantenzahlen (Ladung,…)
Operatoren wirken auf ZuständeSystem wird durch Gesamtenergie beschrieben
Zustand ist WahrscheinlichkeitswelleSchrödingergleichung, …
Fermionen: AusschließungsprinzipWolfgang Pauli, 1925 j = l + s Quantenzahlquantenmechanisch – Zustandsfunktion total antisymmetrischa.b = -b.a
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Unbestimmtheitder Position des Teilchens
Unbestimmtheitder Geschwindigkeit
des Teilchens
xMasse
des Teilchens
x >-
Es gilt die Heisenberg’sche Unschärferelation:x . p >- h
4h – Planck’sches Wirkumsquantum (= 6.6 10-34 J s) Der Impuls p = m v
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Symmetrien-Erhaltungssätze
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Das Symmetrieprinzip:Bestimmte Transformationen müssen die Form der Naturgesetze unverändert lassen.
Auch bei Spiegelung undFarbänderung bleibt die
Monroe immer die Monroe
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Emmy Noether 1918:Jede Symmetrieeigenschaft hat einen Erhaltungssatz zur Folge!
Paritätx’ = - xAbsolut rechts (links)
Bose-Einstein oderFermi-Dirac StatistikPermutationAustausch
identischer Teilchen
DrehimpulsDrehungIsotropie des Raumes
Energiet’ = t + t0Homogene Zeit
Impulsx’ = x + x0Homogener Raum
ErhaltungsgrößeSymmetrie-transformation
Symmetrieeigenschaft
Einige Beispiele:
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Ein konkretes Beispiele: Neutronzerfall
Energieerhaltung: mn > mp + me
1.00867 > 1.00727 + 0.00055Impuls- 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
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SymmetriebrechungIn der Natur sind Symmetrien nie 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!
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
SupersymmetrieDer 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.
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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.
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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.
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Virtuelle WeltWo 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!
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Sfermion-Produktion mit einem e+ e- Collider
(einige Feynman Graphen)
Tree-level Graphen:
One-loop level O(hf2)
Selbstenergien:
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One-loop level O(hf2)
Vertex Graphen:
H. Eberl Elementarteilchen - Vorstoß in den Mikrokosmos
Einige ‘heiße’ Fragen derTeilchenphysik
(die zur Zeit experimentell untersucht werden)
ddddjjjjjWwww• 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. ‘Dunkle Materie’des Universums?
• Warum mehr Materie als Antimaterie?
• Haben Neutrinos eine Masse? Warum so klein?
• Gibt es Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’)
• Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ?
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