Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014 1
Teilchen, Thesen, TemperamenteEinblicke in Forschungsprojekte des MPP
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DirektorenProjektleiter
Temperamente
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Mikrokosmos Makrokosmos
Physikalische Grundlagenforschung am MPP
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Struktur der Materie
auf den kleinsten und grössten
Skalen
Technologie- Entwicklung
Theorie Experiment
Hochpräzision bei kleinen Energien
Teilchenbeschleuniger bei höchsten Energien
Kosmische Quellen
Struktur und wissenschaftliche Themen des MPP
LHC, hl-LHC, Awake, Detektorentwicklung Teilchen-Phänomenologie, Fundamentale Theorie
BELLE, GERDA Detektorentwicklung Teilchen-Phänomenologie, Fundamentale Theorie
MAGIC, CRESST, Detektorentwicklung Teilchen-Kosmologie, Astro-Teilchen-Phänom.
Teilchenphysik Astro-Teilchenphysik
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Dimensionen und Struktur der MaterieUniversum 1026 m
Galaxie 1021 m
Erde 107 m
Mensch 100 m
Atom 10-10 m
Atomkern 10-14 m
Nukleon 10-15 m
Quark; Lepton < 10-18 m
Sonnensystem 1013 m
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Dimensionen und Struktur der Materie
Habemus Higgsum S.Bethke, MPP München Univ. Dortmund, 8. April 2013 6
Quarks
Leptonen
Generation
ud
νe
cs
tb
νµ
ντ
µ τe
1 2 3
Elementare Teilchen Elementare KräfteAustauschboson
StarkEl.-magn.Schwach
G
gγ
W±, Z0
Gravitation
11/137
10-14
10-40
relative Stärke
... sowie deren Antiteilchen
theoretische Vorhersage zur Erklärung der verschiedenen Teilchenmassen:
das HIGGS Bosonbis vor kurzem noch unentdeckt
Damit werden alle bekannten Teilchen und Kräfte beschrieben!(bekannte Materie besteht aus Teilchen der 1. Generation)
Beschreibung der Kräfte (ausser Grav.!) durch Quantenfeldtheorien
Das „Standardmodell“ der Teilchenphysik Teilchen und Thesen:
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Nukleosynthese von Helium
10 K 1 sec.10
QUANTEN- GRAVITATION
GROSSE VEREINHEITLICHUNG
Inflation
Antiquarks verschwinden
Formation von Protonen und Neutronen
Positronen verschwinden
Asymmetry Q - Q L - L
10 K 10 sec-1015
10 K2710 sec-34
10 K31
10 sec-43
Temperatur Alter
Wir sind hier
Entstehung von Sternen und Galaxien
erste Supernovae
1 1 K 1 Milliarde Jahre
UNIVERSUM WIRD TRANSPARENTBildung von Atomen. Entkopplung von Strahlung und Materie.
1.000 K 300 000 Jahre
Proto-Galaxie
Schwere Sterne
Schweres Atom
Wasserstoff Atom Helium Atom
n npp
n npp
pp
pp Elektron
e ee
Proton (Wasserstoff-Kern)
Helium-Kern
γ
γγ
e
e Photonnn n Neutronp peγ
.
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e QQQ
νν
e QQQ
Q
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Z
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W
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Proton(Baryonen)
QQQQ
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Q
νν
ν
ν
ν
γGluon
eePositron
GEGENWART
Zeit
mat
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omin
ierte
Ära
ν
ν
νNeutrino
ν
ν
ν
νν
ν
γ
γ2.7 K 13.7 Milliarden
Jahre
“Urknall”
Teilc
henb
esch
leun
iger
1016 K 10-15secLHC
Ast
rono
mie
Das expandierende Universum
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S. Bethke, S. Menke Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS07Physik mit kosmischen und irdischen Beschleunigern SS14 V1: Einführung S.Bethke, MPP München
Das Standardmodell der Teilchenphysik...
... kann jedoch nicht die ultimative Theorie sein!
es lässt viele fundamentale Fragen offen:
8 !
• Erzeugung der Teilchenmassen (Higgs-Boson?)
• bisher noch keine Quantenfeldtheorie der Gravitation
• Vereinheitlichung aller Kräfte (GUT; TOE) ?
• wo ist die Antimaterie geblieben ? („warum gibt es uns?“)
• was sind die „Dunkle“ Materie und Energie die 95% unseres Universums ausmachen?
• ... beschreibt erfolgreich und präzise alle bekannten Teilchen und Kräfte
• warum sind Neutrinos nicht masslos?
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dark
matter
if it’s not
it doesn’t
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V08: Dunkle Materie 10Teilchen, Thesen, Temperamente S. Bethke Max-Planck-Institut für Physik, 3. Juni 2014
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the most en vogue candidatesto solve (some of) these problems:
• Supersymmetry (SUSY) + fully compatible with and supported by GUT’s + offers excellent Dark Matter candidates + theory finite and computable up to Planck Mass + essential for realisation of string theory (including quantum gravity) - no SUSY signals seen yet (LEP, Tevatron) - (too) many free parameters, large parameter space
• Extra Space Dimensions + would solve hierarchy problem (MPlanck –> O(1 TeV)) + inspired by string theory: compactified extra dimensions +- exciting scenarios, but cannot solve many of above problems? - large model dependences
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die “coolsten” Kandidaten zur Lösung dieser Fragen:
• Super-Symmetrie (SUSY)+ voll kompatibel mit GUT (grosse Vereinheitlichung aller Kräfte)+ bietet exzellente Kandidaten für Teilchen der Dunklen Materie+ Theorie “endlich” und berechenbar bis
zur Planck-Masse (1019 GeV) + essentieller Bestandteil der String-Theorie- bisher keine SUSY Signale gesehen- (zu) viele Parameter; grosser Parameter Raum
• Zusätzliche Raumdimensionen+ Lösung einiger Probleme des SM
(Hierarchie-Problem)+ inspiriert von String-Theorie;
kompaktifizierte Extra-Dimensionen- grosse Modellabhängigkeiten
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July 4, 2012:„observation of a new boson“
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Der ATLAS Detektor am Large Hadron Collider
Planung & Aufbau von 1990 bis 2008; Betrieb ab 2009, für ~ 20-25 Jahre
Länge: 44 m Höhe: 22 m Gewicht: 7000 t
3000 Physiker & Ingenieure 175 Institute
40 Nationen
150•106 elektron. Auslese-Kanäle 40 MHz Kollisionsrate
1014 B/s Rohdatenfluss
end cap hadron calorimeters
outer muon barrel chambers
fwd Si trackerBeiträge des MPP:
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Higgs Kandidat
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Kosmische StrahlungQuelle hochenergetischer Teilchen
MAGIC Teleskope
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Zukunft: Cherenkov Telescope Array
SNRs AGNsCluster of GalaxyBinaries GRBs
Targets
Ursprung kosmischer Strahlung
Dunkle MaterieKosmologiehoch energetische Objekte
Raum & Zeit
wissenschaftliche Ziele:
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High Energy Gamma Ray Astronomy !CTA will bring many new discoveries and findings. Strategy and Physics beyond CTA will be dependent on these new findings
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Suche nach der Dunklen Materie
• direkt: – Large Hadron Collider ... (direkte Produktion und Vermessung der Eigenschaften) – Suche nach WIMP* Stößen in Cryo-Detektoren
• indirekt: – WIMP Paar-Vernichtung in Erde, Sonne, Galaxie- Zentrum (in 2 Photonen, oder Neutrino-Antineutrino; Neutrino-Teleskope wie ICECUBE, cosmic ray exps.)
• weiterhin auch noch: – Suche nach nichtleuchtender, baryonischer Materie (MACHOS, massive compact halo objects)
• primordial black holes ...?* WIMP: Weakly Interacting Massive Particle
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Kristalle im Kryostat bei µK Temperaturen.
Gran Sasso: Abschirmung kosmischer Strahlung
CRESST - Suche nach Dunkler Materie
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WIMPThermometer
WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles;
CRESST - kryogene Suche nach WIMPs
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Suche nach neutrinolosem Doppel-beta-Zerfall von 76Ge
Das GERDA Experiment
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Belle II am Super KEKB (Japan)Präzisionsmessungen bei kleinen Kollisionsenergien zur Suche nach Physik jenseits des Standardmodells
e+e- Beschleuniger am KEK, Japan. eine sogen. “b-quark factory” Betriebsbeginn: Ende 2016
Si-Pixel vertex detector (Entwicklung am MPG-HLL)
50x50 μm2 8 MPixels, 50 kHz
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Plasma Wake Field AccelerationEntwicklung eines neuartigen Beschleunigungsprinzips
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Gegenwärtiger Zeitplan für globale Grossprojekte der Hochenergie-Teilchenphysik
2010 2015 2020 2025 2030
LHChl-LHC
ILC
CLIC, FCC;…
2035
R&Dconstructionrunning
sKEKb
Zukunft
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International Linear e+e– Collider (ILC)
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Linear Collider Detektorentwicklung
neue fundamentale
Formen von Materie & Kräften
TheorieTechnologie Entwicklung
Experiment
höchste Energien (Beschleuniger)
höchste Präzision (niedrige Energien)
kosmische Quellen
MPP Zukunftsthemen und Strukturen
hl-LHC, ILC, FCC; Awake particle phenomenology, fundamental theory
Belle-II, GERDA-II !particle phenomenology fundamental theory
CTA direct DM searches particle cosmology, astro-particle phenom.