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Die Welt der Teilchen
Prof. André SchöningPhysikalisches InstitutUniversität Heidelberg
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Blick in die Tiefe des Universums
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Blick in die Tiefe des Universums
RAUM
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Blick in die Tiefe des Universums
RAUM
ZEIT
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Blick in die Tiefe des Universums
RAUM
ZEIT
MATERIE
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Von Materie ...
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...zu Elementarteilchen
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Elementarteilchen ?
Alten Griechen
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Atomismums und Vakuum
Platon (ca. 428-348 v. Chr) und Aristoteles (ca. 384-322 v. Chr):
Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft
„Nicht seiendes“ gibt es nicht!
Symmetrie + Äther
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Demokrit (ca. 460-371 v. Chr) und Leukippos (5. Jahrh. vor Chr):
Atomismums und Vakuum
Materie besteht aus unteilbaren Bestandteilen (Atome)
Leerer Raum zwischen den Atomen (Vakuum)
Atomismus + Vakuum
Platon (ca. 428-348 v. Chr) und Aristoteles (ca. 384-322 v. Chr):
Elemente: Erde, Feuer, Wasser, Luft
„Nicht seiendes“ gibt es nicht!
Symmetrie + Äther
Moderne Physik lehrt: alle hatten (zumindest teilweise) Recht !
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Struktur der MaterieStreuung von – Teilchen (Heliumkerne) an einer Goldfolie
Hans Geiger + Ernest Marsden 1911-1913
Rutherford Streuformel (Coulomb Potenzial):
Goldfolie
Messung des Streuwinkels
Rate ∝ Z1Z2 e2
4 E 1
sin 4/2
∝1
sin 4/2
Die Goldfolie ist überwiegen leer! (Demokrit)
Schlüsselexperiment!
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Elementarteilchen ?
Alten Griechen
Kollegen (Quantenfeldtheoretiker)
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Quantenfeldtheorie
„Ein Elementarteilchen ist
ein angeregter Quantenzustand
des Quantenfeld-Vakuums“
Physiker-Kollege:
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Quantenfeld-Vakuum = See
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angeregter Zustand = Teilchen
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Quantenphysik
„Ein Elementarteilchen ist diskreter
Zustand (abzählbar), der durch
eine definierte Masse und bestimmten
Quantenzahlen z.B. elektrische Ladung
und Spin charakterisiert ist“
Physiker-Kollege:
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Elementarteilchen ?
Masse
Spin
Ladung
angeregter Zustand
Quanten-Zustand
Vakuum
Äther
Raum + Zeit
Lebensdauer
Symmetrien
unteilbarer Zustand
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Diskreter Zustand
punktförmig (keine Struktur) → nicht weiter teilbar!
abzählbar
ununterscheidbar
e- e- e- e- e- e-
Elektronen
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Teilcheneigenschaften
e- e- e- e- e- e-
Elektronen
Geldstücke
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Teilcheneigenschaften
e- e- e- e- e- e-
definierte (einheitliche) Masse: m = me = 0.511 MeV/c2
definierte elektrische Ladung: Q = - e = 1.6 · 10-1 9 Coulomb
definierten Spin (Drehimpuls): J = ½ ħ
Elektronen
Geldstücke
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Ununterscheidbarkeit
e- e-
Zeit A Zeit A
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Ununterscheidbarkeit
e- e-
Zeit A Zeit A
e-
e-
Zeit B
Zeit B
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Ununterscheidbarkeit
e- e-
Zeit A Zeit A
e-
e-
Zeit B
Zeit B
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Ununterscheidbarkeit
e- e-
Zeit A Zeit A
e-
e-
Zeit B
Zeit B
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UnschärferelationWichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik:
Heisenberg'sche Unschärferelation
px⋅ x ≥ ℏ
Impuls pX und Ort x können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden!
(Planck'sche Konstante)
ℏ = 10−34 Js = 10−34 kgm2
sPlanck'sches Wirkungsquantum
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UnschärferelationWichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik:
Heisenberg'sche Unschärferelation
px⋅ x ≥ ℏ
Impuls pX und Ort x können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden!
(Planck'sche Konstante)
ℏ = 10−34 Js = 10−34 kgm2
sPlanck'sches Wirkungsquantum
me= 0.511MeVc2
= 0.91⋅10−30 kgElektronen Masse:
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Unschärferelation Beispiel
p e-
?
vy = 0 ± 10 cm/s
y = 0 ± 1 mm
me⋅v y⋅ y ≥ ℏ
ElektronProton
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Bahndrehimpuls
e-
?
?
?
p
L = p×rLZ 0
LZ = 0
LZ 0
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Quantisierter Bahndrehimpuls
e-p
LZ = ℏ
LZ = 0
LZ =−ℏ
L ist gequantelt! → Wahrscheinlichkeiten
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e-
Doppelspaltexperiment
funktioniert mitLicht (Photonen) undTeilchen (z.B. Elektronen)
Ereignis
Wahrscheinlichkeits-verteilung zeigtInterferenzmuster!
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InterferenzenA = A
1 + A
2
A2
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Wahrscheinlichkeiten
„Gott würfelt nicht“ (Albert Einstein)
Experimente: die Natur würfelt!
P =∗ =∣∣
2
Wahrscheinlichkeit der Beobachtung:
Teilchen werden durch eine komplexe Wellenfunktion beschrieben
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Erste Zusammenfassung
Teilchen
sind punktförmige diskrete Zustände
mit definierter Masse und Quantenzahlen,
die Ausbreitung wird im Rahmen der Quantenmechanik mit Wellenfunktionen beschrieben
Beobachtungen („Ereignisse“) werden durch Wahrscheinlichkeiten beschrieben
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Wechselwirkung von Teilchen
e- e-
Zeit A Zeit A
e-
e-
Zeit B
Zeit B
?
S = 1
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Wechselwirkung von Fermionen
µ- e-
Zeit A Zeit A
e-Zeit B
Zeit B
?
µ-
Spin =1/2 ħ
Spin-Flip!
S = 1
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µ- e-
Zeit A Zeit A
e-Zeit B
Zeit B
γ
µ-
Spin =1/2 ħ
Austausch-Bosonen(Kraftteilchen)
Photon
Wechselwirkung von Fermionen
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Kraftteilchen (Bosonen) Spin =1 ħ
γPhoton elektro-magnetisch
AustauschkraftTeilchen
Graviton G Massenanziehung
Gluon g Farbkraft (starke WW)
W± , Z0 -Bosonen schwache Wechselwirkung
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Kraftteilchen (Bosonen) Spin =1 ħ
m = 0 ∞
ReichweiteMasse
mG = 0 ∞
mg = 0 ∞
mW
= 80 GeV/c2 10 - 1 8 m
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Unschärferelation
Energie und Zeit
E⋅ t ≥ ℏ
Energie E und Zeit t können nicht beide gleichzeitig beliebig genau vermessen werden!
(Planck'sche Konstante)
Für eine kurz Zeit t ist die Energie E unscharf
t = 10−26s E ~ 80GeV /c2
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Quantenfeldtheorie
Z W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
Vakuum ist ein „See“ aus virtuellen Teilchen
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Quantenfeldtheorie
Z W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
Z
W
G
g
e
d
u
neutron
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neutron
n
W- Boson
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Quantenfeldtheorie
W- Boson
neutronneutron
proton
Elektron
Anti-Neutrino
n
p e-
t = 10−26s
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TeilchenerzeugungKann man gezielt ein W± -Boson oder Z0-Boson aus dem Vakuum erzeugen?
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TeilchenerzeugungKann man gezielt ein W± -Boson oder Z0-Boson aus dem Vakuum erzeugen?
Ja! Wenn man Energie in Masse umwandelt!
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Woher kommt das Licht der Sonne?
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Woher kommt das Licht der Sonne?
aus Materie!
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Woher kommt das Licht der Sonne?
Kernfusion
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Woher kommt das Licht der Sonne?
Kernfusion
E0 = mc2
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Teilchenerzeugung
e-
e+
Positron
Elektron
Z0 -Boson
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LEP Beschleuniger am CERN1989-2000
e-
e+
Positron
Elektron
Z0 -Boson
e+
e-
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Ergebnisse e+e- Beschleuniger
Z Resonanz-Peak
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Standardmodel der Teilchenphysikelementare Teilchen:
strukturlos
punktförmig
3 Generationenvon Fermionen
4 Bosonen (Austauschteilchen)
, Z , W ± , g
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Ungelöste Probleme der Teilchenphysik
1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?
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~72% „Dunkle Energie“ im Universum
~23% „Dunkle Materie“ im Universum
Universum
~4% gewöhnliche Materie (Baryonen, Elektronen, Neutrinos)
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Ungelöste Probleme der Teilchenphysik
1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?
2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?
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~100% Materie
~0% Antimaterie
Universum
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Antimaterie + Materie ↔ Energie
Proton
Photon
Antiproton
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Antimaterie + Materie ↔ Energie
Proton
Photon
Antiproton
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Energie ↔ Antimaterie + Materie
Proton
Photon
Antiproton
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Energie ↔ Antimaterie + Materie
Proton
Photon
Antiproton
Wie entsteht eine Asymmetrie?
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Ungelöste Probleme der Teilchenphysik
1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?
2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?
3. Woher kommt Masse vom W± und Z0 ?
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Woher kommt Masse?
Wie entstehtMasse?
Urkilogramm (Paris)
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Quantenfeldtheorien
Teilchen werden in Quantenfeldtheorien
durch Quantenfelder ()
beschrieben:
Wahrscheinlichkeiten =
Postulat: zusätzliches skalares Higgs Quantenfeld (Teilchen)
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Der Higgs-Kibble Mechanismus
mexican hut
Brechung der Rotationssymmetrie
skalares Higgs-Feld:
V = − M
2 02 ∗− 0
2 2
0
M
Higgs Feld koppelt an alle bekannten Elementarteilchen Masse
(1964)
Peter Higgs
Higgs Potential
00
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Die Higgs-Kopplung
V
ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse
0
0
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Die Higgs-Kopplung
ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse
V
0
0
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Die Higgs-Kopplung
ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse
V
0
0
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Die Higgs-Kopplung
ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse
V
0
0
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Die Higgs-Kopplung
ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse
V
0
0
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Die Higgs-Kopplung
ein Higgs-Feld koppelt an ein Teilchen und erzeugt so Masse
V
0
0
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Frage des englischen Bildungsminister William Waldegrave 1993
Antwort: von David Miller, University College
Was ist das Higgs-Teilchen und
warum wollen wir es finden?
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Cocktailparty
Gäste bilden einen „See“ aus Higgs-Teilchen
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Bekannte Politikerin tritt ein
Der prominente Gast erhält Masse
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„Heiße“ Nachricht erreicht Party
Gäste lassen sich durch Neuigkeit „anregen“
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Das angeregte Higgs-Feld hat eine Masse
„Heiße“ Nachricht erreicht Party
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Was wissen wir über das Higgs?
Masse
Massengrenzen:
114 GeV M H 163 GeV
kann beim Large Hadron Colliderentdeckt werden!
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Proton - Proton Kollisionen:
7 TeV 7 TeV
~10 km
CERN (Genf)Large Hadron Collider
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ATLAS Experiment bei LHC(CERN, Genf)
● mehr als 150 Institute● etwa 2500 Kollaborateure● größter Detektor ● Datennahme ab Ende 2009
Untersuchung von Proton-ProtonStreuung bei höchsten Energienvon 14 TeV
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simulierter Higgs Zerfall bei LHC
e
e
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Ungelöste Probleme der Teilchenphysik
1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?
2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?
3. Woher kommt Masse vom W± und Z0 ?
4. Struktur und Massen der Fermionen?
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Masse der Fermionen
Gold
Proton
Top Quark (t):
Neutrinos:
M top = 171 GeV
M ≪ 0.4 eV
= 0.17⋅1012 eV
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Top Quark m = 171 GeV/cTop Quark m = 171 GeV/c22
Neutrinos: m Neutrinos: m ≈≈ 0.01 - 0.1 eV/c 0.01 - 0.1 eV/c22
Verhältnis der Teilchenmassen
Proton: m Proton: m ≈≈ 1 GeV/c 1 GeV/c22
Elektron: m ≈ 0.5 MeV/c2
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Ungelöste Probleme der Teilchenphysik
1. Dunkle Energie und Dunkle Materie?
2. Materie – Antimaterie Asymmetrie?
3. Woher kommt Masse vom W± und Z0 ?
4. Struktur und Massen der Fermionen?
5. Was passiert bei hohen Energien? Neue Physik? Überaschungen?
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Proton - Proton Kollisionen:
7 TeV 7 TeV
~10 km
CERN (Genf)Large Hadron Collider
Viel Spass!