Anwendungen Tunneleffekt in Beispielen: 11.5.1. Alpha Zerfall von Kernen
Physik mit Teilchen, Kernen und Sternen Das ExzellenzclusterOrigin and Structure of the Universe...
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Transcript of Physik mit Teilchen, Kernen und Sternen Das ExzellenzclusterOrigin and Structure of the Universe...
Physik mit Teilchen, Kernenund Sternen
Das Exzellenzcluster ‚Origin and Structure of the Universe‘
Prof. Stephan Paul
Schülertag TUM - 1.2.20072
Vom Kleinen zum Grossen – Der Kreis der Physik
Schülertag TUM - 1.2.20073
Kräfte und Wechselwirkungen
• Art des ausgetauschten Teilchens bestimmt WW• Reichweite der Wechselwirkung:
– Austauschteilchen is virtuelles Teilchen→ Energiesatz wird verletzt
– Hohen Massen (Energien) Kleine Abstände untersuchen
max mit und
200in Zeit t zurückgelegte Distanz:
[ ]
Teilchen
Teilchen Teilchen
E t E m v c
cr fmm m MeV
Schülertag TUM - 1.2.20074
Wechselwirkungen II• Masselose Teilchen: Graviton, Photon geben eine unendliche
Reichweite (1/r-Gesetz)• Teilchen der Masse m = 80 GeV → Reichweite; 2.5∙10-3 fm ca.
1/1000 Größe eins Protons (schwache WW)• Teilchen der Masse m = 140 MeV → Reichweite: 1,4 fm
(Kernkraft)
Schülertag TUM - 1.2.20075
Die Bausteine der Welt
Schülertag TUM - 1.2.20076
Die Suche nach dem Ursprung der Masse
• Urbausteine (Quarks/Leptonen) haben Masse– Es gibt leichte Bausteine (u,d-Quark, Elektron)– Es gibt schwere Bausteine (b,t-Quark, muon/-Lepton)
ca. 1000-10000 mal schwerer
• Warum – Haben Bausteine die gemessenen Massenwerte– Gibt es Bausteine mit so unterschiedlicher Masse
• Higgs-Mechanismus– Hintergrundfeld erzeugt Masse (Higgs-Teilchen)– Vgl. Schumacher in Fangemeinde.....
Schülertag TUM - 1.2.20077
Der Higgs-Effekt – Wie Masse Entsteht
Schülertag TUM - 1.2.20078
10-43 Sekunden:
Der Vorhang hebt sich…
Superstrings: eine ‘Weltformel’ ?
• Alle Kräfte sind vereint• Die Welt ist 10-dimensional• Doch nur 4 Dimensionen haben nn der Expansion
des Raumes teilgenommen,• Die anderen Dimensionen sind aufgrollt
Raum und Zeit sindschaumig….
Schülertag TUM - 1.2.20079
10-35 - 10-32 s:
Inflation:
Innerhalt 10-32 Sekunden expandiert der Raum um das
1050-fache
• QuantenFluktuationen in der Energiedichte werden verstärkt (3 K Hintergrundstrahlung)• Sie bilden die Grundlage für die spätere Entstehung von Galaxien
Schülertag TUM - 1.2.200710
WMAP 2003
Cobe 1994
Das Babyfoto: MikrowellenTemperaturschwankungen
2006
Schülertag TUM - 1.2.200711
Ein winziger Überschuss von Materie zu Antimaterie wird erzeugt
Aus der 1 in der neunten Stelle hinterm Komma sind WIR gemacht
Schülertag TUM - 1.2.200712
Bis 10-10 Sekunden:
Suppe aus Elementarteilchen und Austauschbosonen in steter WW
Dabei Abkühlung durch räumliche Expansion und Änderung der Kopplungsstärken
Schülertag TUM - 1.2.200713
10-10-10-6 Sekunden:Elektroschwache
Symmetriebrechung
Neutrinos entkoppeln: schwache WW wird zu schwach, Neutrinos sehen andere Teilchen zu selten
Schülertag TUM - 1.2.200714
Wie betrachte ich verschiedene Größenskalen ?
Schülertag TUM - 1.2.200715
Mikroskope.....
Ringbeschleuniger
Beschleungungsstrecke Umlenkmagnete
Nutzbare Energie zur Erzeugung von Neuem: √s = E1+E2
Baue Collider (zwei kollidiernde Strahlen)
Schülertag TUM - 1.2.200716
CERN – Herr der Ringe
8.6 km
Schülertag TUM - 1.2.200717
LHC-Ring - Simulation
CERN Beschleuniger und das LHC
Testaufbau8 TeV auf 8 TeV Kollisionen.... Mp ~ 1 GeV und E=mc2
Schülertag TUM - 1.2.200718
Wie sieht ein Detektor aus ?
Schülertag TUM - 1.2.200719
Eindrücke eines Superdetektors
Zentraler Detektorteil - Rohbau
Transportprobleme ??
Schülertag TUM - 1.2.200720
Was passiert bei einer harmlosen Kollision ?
Strahl Strahl
Schülertag TUM - 1.2.200721
Kollisionen bei hohen Energien:
Higgs Teilchen simuliert
Schülertag TUM - 1.2.200722
10-4-10-2 Sekunden:
Proton und Neutron kondensieren aus der
Suppe von Quarks und Gluonen
(Quark-Gluon Plasma)
Ansicht eines ProtonsMit hoher Auflösung
Schülertag TUM - 1.2.200723
10-2-103 Sekunden:
Entstehung der ersten Elemente
Primordiale Nukleosynthese
Die ersten 3 Minuten sind vorüber
Es gibt keine stabilenElemente mitA=5
4He ist Endstation
Schülertag TUM - 1.2.200724
FRM II der TUM
Einlasskonfiguration
Messung der Lebensdauer des Neutrons
Neutron trajectories
good bad
Magnetischer MultipolBeff ~ 2T
Stromleiter
Proton Nachweis
Der ReaktortankDie Neutronenextraktion
Schülertag TUM - 1.2.200725
105 Jahre:Entstehung der Atome
Entkopplung der Photonen
Ab 109 Jahre:Entstehung der Sterne und Galaxien
Schülertag TUM - 1.2.200726
Elemtenstehung - Was macht ein Stern ?
Schülertag TUM - 1.2.200727
Was macht die Sonne ?
Kernfusion im Herzen der Sonne: 4 p 4He + 2e+ + 2
e (+ 26.7 MeV)
genauer:
e
e
e
e
e
Neutrino energy [MeV]
auf der Erde:65 Milliarden Neutrinos pro s und cm2
Schülertag TUM - 1.2.200728
Licht und Neutrinos von der Sonne.. Stimmt das ?
50 000 t H20 Cerenkov Detektor
40 m hoch40 m Ø
11146 Licht-detektoren50 cm Ø
1 km tief inKamiokaMine, Japan
Schülertag TUM - 1.2.200729
Bis jetztEntstehung der schweren Elemente:
Supernovaexplosionen
Ende einer Supernovaexplosion: Schwarzes Loch
Im Zentrum jeder Galaxie findet sich ein schwarzes Loch:
Beispiel: unsere Milchstrasse (Bild im Nahinfraroten - VLT):
Schülertag TUM - 1.2.200730
Kernphysik – Die Landkarte der Kerne
Schülertag TUM - 1.2.200731
Entstehung neuer Elemente im Labor
GSI – IonenbeschleunigerUNILAC
Schülertag TUM - 1.2.200732
Dennoch…. Wir wissen wenig
Sterne und Galaxien machen nur ~0.5% aus Neutrinos ~0.3–10% Rest normaler Materie (Elektronen and Protonen) ~5% Dunkle Materie ~30% Dunkle Energie ~65% Anti-Materie 0% Higgs Kondensate ~%??
Schülertag TUM - 1.2.200733
Unsere Instrumente für große Objekte
Universitätsternwarte (LMU) - Wendelstein
Paranal VLT Chile (ESO)
Schülertag TUM - 1.2.200734
Und Wie War’s Ganz Am Anfang ?
Schülertag TUM - 1.2.200735
Mehr Info auf: www.universe-cluster.de