MasterclassesHands-on Particle Physics
-Technische Universität Dresden -Montag, 25. Dezember 2010
Betreuer: Frank Seifert, Anne GlückTutorin: Friederike KrügerVorbereitung: Luise Kahnt
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
11.10 – 14.10 Uhr Einführung12.20 – 13.20 Uhr Pause und Fragen14.10 – 15.10 Uhr Datenanalyse15.10 – 15.30 Uhr Auswertung und Quiz
Ablauf des Tages
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Einführung Elementarteilchen
• Habt ihr Fragen zur Teilchenphysik?
Zum Aufbau der Welt? Zum Universum?
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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?
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Aufbau der Materie – Das Standardmodell
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Aufbau der Materie – Das Standardmodell
Sichtbare Materie
-
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Aufbau der Materie – Das Standardmodell
Sichtbare Materie
- - -
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Aufbau der Materie – Das Standardmodell
Sichtbare Materie
- - -
El. Ladung
+2/3
-1/3
0
-1
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Aufbau der Materie – Das Standardmodell
Sichtbare Materie
- - -
El. Ladung
+2/3
-1/3
0
-1+++
El. Ladung
-2/3
+1/3
0
+1
Antimaterie
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• Woher weiß man das?
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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
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Teilchenphysik = Hochenergiephysik?
mc²=E
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• 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
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Unbekanntes Objekt in einer Höhle
• Projektil: Basketbälle
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• Projektil: Tennisbälle
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• Projektil: Murmeln
...Nichts wie weg !
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• Habt ihr auch daheim!
• Funktionsprinzip:
• Linearbeschleuniger: DESY (Hamburg)
Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger
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Bis 2000: e-e+ bei LEP (CERN)
Strahlenergie
Ee= 40-100 GeV
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Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren
• Elektronische Bilder
CERN, Genf, bis 2000
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Die nächste Generation:Der Large Hadron Collider LHCKollision von 7 TeV Protonen mit 7 TeV Protonen
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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
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Bilder vom LHC
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170 Universitäten undInstitute aus 35 Ländern
TU Dresden: ATLAS Experiment
Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten
Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten
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Ziele: Suche nach Neuem
• Higgs Teilchen (was ist überhaupt Masse?)• Supersymmetrie (Dunkle Materie?)
nur 5% des Weltalls ist „normale“ Materie • zusätzliche Raumdimensionen
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Zusammenfassung Bausteine
• Fundamentale Bausteine der Materie:
– Alle punktförmig • Welche Kräfte halten die
Bausteine zusammen?• Was ist überhaupt eine
fundamentale Kraft ?
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Allgemein: – Kraftwirkung zwischen Teilchen– Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion
Die 4 Kräfte- Wechselwirkung zwischen Materiebausteinen -
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Prinzip von Kraftwirkungen• Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung• Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung• Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen
Abstoßend Anziehend
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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
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Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
Die 4 Kräfte
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
Die 4 Kräfte
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
Die 4 Kräfte
Kernzerfälle, Radioaktivität,
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
Die 4 Kräfte
Kernzerfälle, Radioaktivität,
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
Kosmos, Planetensysteme, Galaxien?
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Scientific American, 1997
Die Massen der Elementarteilchen
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Woher kommen die Teilchenmassen?
Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich.
Großer Forschungsschwerpunkt am LHC!
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
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
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Z “Zerfälle“
• Das Z Teilchen ist nicht stabil• Wandelt sich nach 3x10-25s (!) in andere
Teilchen um
Z0
e+e-
+-
Zeit
Z0 Z0
e+
e-
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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
Z0
e+e-
+-
Aufgabe für danach!
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Ergebnisse hochaktuellVeröffentlicht inPhysics Reports,
Mai 2006
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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
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Detektorverhalten
„Teilchen-Jet”
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Zusammenfassung • Die unterschiedlichen Ladungen
bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen
• Sie erklären auch das unterschiedliche Verhaltenin den Detektoren
Hadronen
PionMyon
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Schnitt durch einen Sektor des CMS DetektorsTeilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen
Press “escape” to exit
Zusammenhang mit Entwicklung des Universums
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Für die ganz Neugierigen
BACKUP
1) Elektromagnetische Kraft
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Trägt selbst keine Ladung➔ Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r2 ab)● Koppelt an elektrische Ladung
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Trägt selbst keine Ladung➔ Unendliche Reichweite (nimmt mit ~1/r2 ab)● Koppelt an elektrische Ladung
1) Elektromagnetische Kraft
Licht, Radiowellen, Röntgenstrahlung, Molekülbindungen
Ein Ladungstyp mit zwei Zuständen: Ladung und Antiladung
“plus” “minus”
+ - Ladung 0
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
2) Starke Kraft
● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Koppelt an starke Farbladung● Trägt selbst starke Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
2) Starke Kraft
● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Koppelt an starke Farbladung● Trägt selbst starke Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
2) Starke Kraft
● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Koppelt an starke Farbladung● Trägt selbst starke Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau
0
00
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
Quarkbindungen, Formung Atomkerne, Kernfusion
2) Starke Kraft
● Masselos➔ Fliegt mit Lichtgeschwindigkeit● Koppelt an starke Farbladung● Trägt selbst starke Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch Gluon-Selbstkopplung
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau
0
00
0025.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
2) Starke Kraft
Beispiel: Proton
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau
0
00
00
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
2) Starke Kraft
Proton
Farbneutral
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau
0
00
00
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
2) Starke Kraft
Proton
Farbneutral
+2/3 +2/3
-1/3 Elektrische Ladung = +1
Drei Ladungstypen Rot+ Antirot
Grün+ Antigrün
Blau+ Antiblau
0
00
00
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3) Schwache KraftKernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion
● W+, W- und Z0 Boson
➔Hohe Masse (80 – 90 GeV)●
Tragen selbst schwache Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
3) Schwache KraftKernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion
• Ein Ladungstyp: I3
• Tragen alle Bausteinteilchen
z.B. Betazerfall:
● W+, W- und Z0 Boson
➔Hohe Masse (80 – 90 GeV)●
Tragen selbst schwache Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen
25.10.2010 Masterclasses - Frank Seifert
3) Schwache Kraft
● W+, W- und Z0 Boson
➔Hohe Masse (80 – 90 GeV)●
Tragen selbst schwache Ladung➔ Sehr kurze Reichweite durch massive Austauschteilchen
Kernzerfälle, Radioaktivität, Neutrinoproduktion
Unterdrückung der effektiven Kopplung
• Ein Ladungstyp: I3
• Tragen alle Bausteinteilchen
z.B. Betazerfall:
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• 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
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Die Bedeutung der Teilchenmassen
Tatsächlicher Ablauf
Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse
Kleinere W-Masse
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Die Bedeutung der Teilchenmassen
Tatsächlicher Ablauf
Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse
Kleinere W-Masse
Higgs-Teilchen wäre für die Erzeugung der Teilchenmassen verantwortlich.
Großer Forschungsschwerpunkt am LHC!
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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
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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
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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
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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
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primäres Teilchen trifft auf Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe
Atmosphäre
e
e
Fuji3776 m
np
p, He, ...
e
Entdeckt: 1937-1947wie e, nur 200x schwerer
mehrere Teilchen-Familien!
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Die 4 Detektoren am LHC
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