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Physik am Samstag 17. 6. 2006
Thomas MüllerInstitut für Experimentelle Kernphysik
Die Suche nach den fundamentalen Bausteinen der Natur
DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINENDER NATUR
"Die Natur liebt sich zu verbergen" Heraklit, 500 v. Chr.
ZWEI FUNDAMENTALE FRAGEN :
WIE IST DAS UNIVERSUM ENTSTANDEN ?
WORAUS BESTEHT DIE MATERIE MIT IHREN KRÄFTEN ?
BEIDE FRAGEN SIND MITEINANDER VERKNÜPFT :
VERSTÄNDNIS VON DER STRUKTUR DER MATERIE UND IHRER KRÄFTE
<==> BESSERES WISSEN ÜBER IHREN URSPRUNG
FÜR DIE SUCHE NACH DIESEM VERSTÄNDNIS :
SCHAFFE ZUSTÄNDE WIE IN DEN ERSTEN ANFÄNGEN DES UNIVERSUMS
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Die Suche nach den fundamentalen Bausteinen der Natur
VOM UNIVERSUM ZUM QUARK
1026 m 107 m 101 m
10-4 m 10-15 m10-8 m
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I. ZUR ENTSTEHUNG DES UNIVERSUMS
DIES BERUHT AUF DREI BEOBACHTUNGEN:
DAS UNIVERSUM IST VOR CA 13 MILLIARDEN JAHREN IN EINEM URKNALL ENTSTANDEN ("BIG BANG")
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ELEMENTHÄUFIGKEIT IM UNIVERSUM
1. BEOBACHTUNG:
PRIMORDIALE HÄUFIGKEIT DER ELEMENTE 75% H, 24% He, <1% Li, ...ELEMENTSYNTHESE IN DEN ERSTEN DREI MINUTEN
Messung der Zusammensetzung mit Spektralanalyse
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ROTVERSCHIEBUNG FERNER GALAXIEN
2. BEOBACHTUNG:
DIE GALAXIEN ENTFERNEN SICH VON EINANDER (Hubble 1930)
JE GRÖSSER DIE ENTFERNUNG DESTO SCHNELLER
Kalzium
Hubble
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HORNANTENNE DER BELL TELEPHONE LABORATORIES
3. BEOBACHTUNG:
KOSMISCHE HINTERGRUNDSTRAHLUNG (Penzias, Wilson 1956)2.7 K TEMPERATURSTRAHLUNG LICHTBLITZ DES URKNALLS
Körper mit Temperatur T [K] strahlen mit Frequenzverteilung ν
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DIE ABKÜHLUNG DES UNIVERSUMS
Teilchenbeschleuniger
Radius 10-3m 1011m 1013m
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II. DIE FUNDAMENTALEN TEILCHEN
UNSER HEUTIGES VERSTÄNDNIS VON DER NATUR IST VON GRIECHISCHEN PHILOSOPHEN GEPRÄGT:
"Denn weder gibt es beim Kleinen ja ein Kleinstes, sondern stets ein noch Kleineres (denn es ist unmöglich, daß das Seiende zu sein aufhöre) - aberauch beim Großen gibt es immer ein Größeres."
Anaxagoras, 500-425 v. Chr.
"Der gebräuchlichen Redeweise nach gibt es Farbe, Süßes, Bitteres, in Wahrheit aber nur die Atome und das Leere."(ατοµοσ = unteilbar)
Démokrit, 460-370 v. Chr.
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DIE SUCHE NACH DEN KLEINSTEN STRUKTUREN DER MATERIE
Dalton 1803-1808Lehre von den Atomen als Grundbausteinen der Stoffe
Meyer/Mendelejev 1869-1871Periodensystem der Elemente107 Chemische Verbindungen 112 Atome
Rutherford (1871-1937)Atome: kompakter Kern mit Elektronenhülle
Bothe, Chadwick, Joliot (um 1932)Neutronen und Protonen im Kern112 Atome 3 Bausteine
Gell-Mann, Zweig (1964)Protonen, Neutronen, andere HadronenBestehen aus Quarks>100 Elementarteilchen 6 Quarks
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UNTERSUCHUNG KLEINER STRUKTUREN MIT STREUUNG
Winkelverteilung der Projektile nach der Streuung:HINWEIS AUF INNERE STRUKTUREN
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DAS EXPERIMENT VON GEIGER UND RUTHERFORD
STREUUNG VON ALPHA-TEILCHEN AN EINER GOLDFOLIE
BEOBACHTUNG:•ZUWEILEN WERDEN TEILCHEN STARK ABGELENKT•WINKELVERTEILUNG UNABHÄNGIG VON DER ENERGIE
ERKENNTNIS:•ATOME BESTEHEN AUS WINZIGEM GELADENEN KERN UND ELEKTRONENHÜLLE
α-Quelle
Leuchtschirm
Mikroskop
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PRINZIP EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS
Beschleunigungsspannung U = 1Volt ⇒ kinetische Energie = 1eVBeschleunigungsspannung U = 1000Volt ⇒ kinetische Energie = 1keV
MODERNE ANFORDERUNGEN: 1012eV = 1 TeV
DIE BRAUNSCHE RÖHRE - +
U
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SCHEMA EINES TEILCHENBESCHLEUNIGERS
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INTERNATIONALE BESCHLEUNIGERLABORS
Karlsruher Beteiligung
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DAS EXPERIMENT VON FRIEDMANN, KENDALL; TAYLOR....(1962)
STREUUNG VON HOCHENERGETISCHEN ELEKTRONEN AN WASSERSTOFF IN STANFORD (SLAC)
BEOBACHTUNG:•ZUWEILEN WERDEN ELEKTRONEN STARK ABGELENKT•WINKELVERTEILUNG UNABHÄNGIG VON DER ENERGIE
ERKENNTNIS: •STREUUNG AN PUNKTFÖRMIGEN QUARKS•PROTONEN BESTEHEN AUS 3 QUARKS: uud
17 GeV Elektronen
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ELEKTRON-PROTON-ZUSAMMENSTÖßE AM HERA-BESCHLEUNIGER IN DESY, HAMBURG
HERA: STREUUNG VON 30 GeV ELEKTRONEN AN 900 GeV PROTONEN
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ERKENNTNISSE VON HERA
u u
d
Valenzquarks
2 fm
ERKENNTNIS: •STREUUNG AN PUNKTFÖRMIGEN QUARKS, R < 10-18 m•GENAUE STRUKTUR DES PROTONS
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DIE SICHTBARE WELT BESTEHT AUS QUARKS UND LEPTONEN DER ERSTEN GENERATION: u, d, e-, ν
IN DEN ERSTEN SEKUNDEN DES UNIVERSUMS GAB ES ABER NOCH WEITERE OBJEKTE, DIE LÄNGST ZERFALLEN SIND
DIESE KÖNNEN AN TEILCHENBESCHLEUNIGERN IN KLEINEN "URKNALLEN" AUS ENERGIE ERZEUGT WERDEN
ANWENDUNG: E = mc2 (Albert Einstein)
BAUSTEINE DER SICHTBAREN MATERIE
t
t
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III. DIE FUNDAMENTALEN KRÄFTE
GRAVITATION:
NEWTON (1642-1727): GRAVITATIONSGESETZ
ELEKTRIZITÄT, MAGNETISMUS:
MAXWELL (1831-1879): VEREINIGUNG ELEKTROSTATIKUND MAGNETISMUS
HEINRICH HERTZ (1857-94): ENTDECKUNG DER ELEKTRO-MAGNETISCHEN WELLEN IN KARLSRUHE
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DIE EXPERIMENTE VON HEINRICH HERTZ
ENTDECKUNG DER "ELEKTRODYNAMISCHEN" WELLE
ERKENNTNIS: • DIE ELEKTRISCHEN UND MAGNETISCHE KRÄFTE WERDEN DURCH
ELEKTROMAGNETISCHE WELLEN ÜBERTRAGEN (PHOTONEN)
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KRÄFTE ALS URSACHE ALLEN GESCHEHENS
ALLGEMEIN:
• KRÄFTE ENTSTEHEN DURCH AUSTAUSCH VON BOSONEN
• SCHEMATISCHE BESCHREIBUNG DURCH FEYNMANDIAGRAMME
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DIE FUNDAMENTALEN NATURKRÄFTE
Gravitation Stärke : 10-38
Anziehung von Massen Reichweite: unendlich
Schwache Wechselwirkung Stärke : 1/100000Bewirkt den radioaktiven Zerfall Reichweite: sehr klein!
Elektromagnetische Wechselwirkung Stärke : 1/100Gleiche Ladungen stossen sich ab, Reichweite: unendlichungleiche ziehen sich anStarke Wechselwirkung Stärke : 1 Anziehende Kraft zwischen den Quarks Reichweite: ~10-15m
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UNSER HEUTIGES WISSEN: DAS STANDARDMODELL
Sheldon Glashow
AbdusSalam
!
Higgs-Boson: verantwortlich für die Massen von Bosonen und Fermionen ?
Vortrag Prof. Drexlin
Vortrag Prof. Zeppenfeld
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IV. DIE SUCHE NACH DEM SCHWERSTEN TEILCHEN
FERMILAB TEVATRON COLLIDER
• z.Z. höchste Energien der Welt• Pro Sekunde 10000000 Kollisionen• 1 Top-Ereignis nur in 1010 Kollisionen !
BILD EINES KOLLISIONS-EREIGNISSES
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NACHWEIS VON TOP-QUARKS
NACHWEIS ANHAND DERZERFALLSPRODUKTE
DER CDF-DETEKTOR
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e+ e-
Spurdetektor
Magnetspule
Hadronkalorimeter
Elektronkalorimeter
Myonkammern
Photon
Elektron
Quark Jet
Myon (hohe Energie)
(mittlere Ene.)
(kleine Energie)
FUNKTION EINES TEILCHENDETEKTORS
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DIE CDF-KOLLABORATION 1993
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DAS CDF TOP-QUARKSIGNAL (1995)
TOP-ANTITOP-EREIGNIS
TOP-QUARK-SIGNAL
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DIE MASSEN DER QUARKS
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SIND QUARKS FUNDAMENTALE TEILCHEN?
ERKENNTNIS: Λ > 1600 GeV R < 10-19 m
WIEDERHOLUNG DES RUTHERFORD-EXPERIMENTES
p p
Suche nach
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GRÖßENVERHÄLTNISSE
PROTONEN SIND 100000x KLEINER ALS ATOME (1911)
Atomkern : Atomhülle
= Knopf : Innenstadt
QUARKS, LEPTONEN SIND MIND. 10000x KLEINER ALS PROTONEN (1998)
Quark : Atomhülle
< Knopf : Erde
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V. ZUSAMMENFASSUNG
UNSER HEUTIGES WELTBILD KENNT
12 FUNDAMENTALE MATERIETEILCHEN: QUARKS UND LEPTONEN
4 FUNDAMENTALE KRÄFTE
Die Teilchen sind höchstens 10-19 m groß. Ob sie zusammengesetzt sind, ist nicht bekannt.
OFFENE FRAGEN:
WIE BEKOMMEN TEILCHEN IHRE MASSE ?
WIESO GIBT ES NUR MATERIE IM HEUTIGEN UNIVERSUM ?
WIE ERKLÄRT SICH DIE VIELFALT DER TEILCHEN UND KRÄFTE ?UND......
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ÜBERRASCHUNG IM UNIVERSUM: DIE DUNKLE MATERIE
Kepler
DUNKLE MATERIE
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Symmetrie zwischenFermionen ↔ Bosonen
(Materie) (Kraftteilchen)
DUNKLE MATERIE: SUPERSYMMETRISCHE TEILCHEN?
Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !Karlsruhe:Supersymmetrische Feldtheorie: J. WessSUSY Phänomenologie: W. de Boer, …
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DER LARGE HADRON COLLIDER
LHC:
Proton-Proton-Kollisionen bei 14 TeVSchwerpunktsenergieUmfang 27 km
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DAS CMS-EXPERIMENT
EISENJOCH DES 4 TESLA-MAGNETEN
Hergestellt in der Werft Deggendorf
Gewicht: 12000 t
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DAS CMS-EXPERIMENT
EISENJOCH DES 4 TESLA-MAGNETEN
Hergestellt in der Werft Deggendorf
Gewicht: 12000 t
215 m2 Siliziumstreifendetektoren mit 10 Mio elektronischen Kanälen
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Bonding Maschine
3 D-Meßmaschine
Probestation
LOGISTIK BEIM BAU DES CMS-SPURDETEKTORS
Großmodul
10 cm
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BAU VON PETALS IM REINRAUM AM FZK
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SIMULATIONSSTUDIE ZUM NACHWEIS EINES HIGGSBOSONS
SIMULATION EINES HIGGS-BOSON-EREIGNISSES AM CMS-DETEKTOR
ERWARTETES SIGNAL AM LHC
Der Prozeß
Schnelle Simulation
Simulation einesEreignisses
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AUSBLICK
DIE SUCHE NACH DEN FUNDAMENTALEN BAUSTEINEN DER NATUR IST PHILOSOPHISCHES ANLIEGEN SEIT MENSCHENGEDENKEN
WIE WIR DIE FRÜHEREN KULTUREN BEURTEILEN, WERDEN AUCH WIR SPÄTER AN UNSEREN ERKENNTNISSEN GEMESSEN WERDEN
UNSERE FORSCHUNG IST VERKNÜPFT MIT DER AUSBILDUNG UND DER SUCHE NACH ANWENDUNGEN IM TÄGLICHEN LEBEN
Diese Forschung wird in Karlsruhe großzügig gefördert von Universität, FZK, Land, DFG, BMBFKarikaturen übernommen von MinDir. HF Wagner, BMBF….
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CENTRUM FÜR ELEMENTARTEILCHENPHYSIK UND ASTROTEILCHENPHYSIK
CDF CMS
THEORIEAMSGRID
CETA
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BESTRAHLUNG VON TUMOREN
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PET-AUFNAHME
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MODERNE DETEKTOREN FÜR RÖNTGENAUFNAHMEN
Pixel-Detektoren aus der Teilchenphysikkönnten in der Zukunft für Röntgenaufnahmenverwendet werden.
Strahlenbelastung reduziert um Faktor 10.
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DAS INTERNET
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DATENMENGEN AM LHC
40 MHz ; 109 Ereignisse/s = 1 PetaByte/s = 150 x 106 Sensoren
Online-DatenreduktionDatenspeicherung
100 Hz ~~1 PetaByte/Jahr
LÖSUNG: DAS GRID
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ANWENDUNGEN DES FREIE ELEKTRONEN LASERS
Röntgen-FEL: 0.1 nm Laser
- Filme von chemischen Reaktionen.
- Strukturuntersuchung mit atomarer
Auflösung.
Diffraktion an einzelnen Molekülen
Eiweißmolekül
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ENTDECKUNGEN IN DER TEILCHENPHYSIK
HiggsSUSYNeue StrukturenÜberraschungen
mν Bs-Osz.CP-Verletzung
"Ohne Zweifel wird es noch lange dauern, bis Teilchenphysiker ohne Arbeit sein werden."(M. Gell-Mann, 1957)