Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004
Elementar und Unteilbar?Revolutionen
der Teilchenphysik
Peter SchleperHamburg, 3.2.2004
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004
Revolutionen jenseits von Feuer Erde Wasser Luft …
Erklaerung makroskopische
r Effekte
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004
Materie und Antimaterie Relativitaet und Quantentheorie
DIRAC 1928 :Einstein 1905:
Masse ist eine Form von Energie• Aus Energie kann neue Masse entstehen
Quantentheorie: Teilchen Wellen-GleichungenElektron hat Spin ½: zwei Freiheitsgrade
Relativistische Quantentheorie: Loesung nur fuer 4 Freiheitsgrade
E2 = m2c4 + P2 c2
E = + (m2c4 + P2 c2)1/2_Zwei Loesungen: Elektron + ??? Anti-Elektron
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Vorhersagen
Symmetrie der Natur: Lorentztransformationen lassen die Natur
(physikalische Experimente) unveraendert neue mathematische Struktur der Physik: Dirac Gleichung erlaubt nur eine (wenige) Loesungen: Dirac: 2 Loesungen mit 4 Freiheitsgraden Vorhersage neuer Natur-Phaenomene: Teilchen und Antiteilchen mit Spin 1/2
Theorem von Noether: Aus Symmetrie folgt Erhaltungsgroesse(z.B.: Energie und Impulserhaltung)
1. Rel. QM Antimaterie2. Eich-Symmetrie Kraefte und Teilchen3. Spin-Symmetrie Super-Teilchen
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Antimaterie: Entdeckung
Hoehenstrahlung: Teilchen aus dem Kosmos Nachweis durch Ionisation in Nebelkammer (Kondensation)
E: Energie aus Reichweite und Ionisation: ~20 MeVP: Impuls und Ladung aus Kruemmung im B-Feld
Masse wie Elektron, aber Ladung positivAnti-Elektron = Positron
E2 = m2c4 + P2 c2
e+
e+ e-
e+e-
E = 1 eV typisch fuer chemische Bindung
1933:
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Antimaterie II
Photo einer TeilchenreaktionHoehenstrahlung
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Teilchen-Erzeugung
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Beschleuniger
• Erzeugung von Teilchen und Antiteilchen• Hoehere Energie:1. Aufloesungsvermoegen2. Entdeckungen neuer, schwerer Teilchen
In Hamburg: HERA: 300 x 109 eV
In Genf: LEP: 200 x 109 eV LHC: 14000 x 109 eV
Aufloesungsvermoegen: 10-19m
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004LHC: der Large Hadron Collider
• CERN: Europaeisches Zentrum fuerTeilchenphysik in Genf• Proton-Proton Kollisionen bei 14000 GeV• Faktor 1000 mehr Kollisionen als bisher
Start: 2007
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Moderne Detektoren
Praezision durch Halbleiter-TechnologieDiode in Sperrichtung: Strom nur bei
Ionisation durch Teilchen• Aufloesung (Ort): 10 m• Impulsmessung im Magnetfeld: bis ca 1012 eV
Teil eines Si-Wafers
Teilchen-Rekonstruktion
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004
CMS: das Compact Muon Solenoid Experiment bei LHC
• 50 x 106 elektronische Kanaele• 8 Peta-Byte Daten pro Jahr
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004CMS Detektor
Im Vergleich: ZEUS
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004
Das Standard Modell:Teilchen und Kraefte
Materie-Teilchen: 1. Generation
Entdeckungen2. Generation: Muon, Strange Quark Vorhersage: Neutrino,Charm3. Generation: Tau, Bottom Vorhersage: Neutrino, Top
Naturkraefte:1. Elektromagnetismus2. Schwache Kraft3. Starke Kraft4. Gravitation ???
…wegen Symmetrie zur 1.Generation
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Grundbausteine der Natur
Warum diese Teilchen ?Warum diese Massen ?
Higgs Teilchen !?
Warum Unterschied fuer Fermionen und Bosonen ?
Supersymmetrie !?
Austauschteilchen
Materieteilchen
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Eich-Theorie
Quantenm. Spez. Relativit.
Quantenfeldtheorie
Eichsymmetrien
Herleitung der Naturkraefteelektromagn., starke, schwache Kraft
Theorem: Nur Eichtheorien liefern physikalisch sinnvolle Resultate
Quantentheorie: Teilchen folgen WellengleichungenNur Betrag der Wellen ist beobachtbar:Phase der Welle ist beliebig:ei
laesst Experiment unveraendertSymmetrie der Natur:Erhaltung der Elektr. Ladung, Z,W,g haben Spin 1Form der KraefteAlle Teilchen in kompletten GenerationenVorhersage Charm, Top, NeutrinosEs muss ein Higgs Teilchen gebenHiggs wechselwirkt mit MasseQuantenkorreturenSelbstwechselwirkung von Z,W,g,H
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004HERA: Starke Kraft im Proton
ZEUS
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004HERA
Starke Wechselwirkung sagt Quark-Gluon Wechselwirkung
korrekt vorraus
Quark und Gluon Dichte: Quantenphysik im Proton
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Das Standard-Modell mit Higgs
LEP: e+e- ….Praezisionstest der Teilchenphysik
Z0
Z0 Z0
W+W-
Alle Experimente stimmen mit dem Standard Modell ueberein
!!…falls das Higgs existiert und
MH < 200 GeV
Sonst: WiderspruchAlternativen ????
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Higgs bei LHC
Higgs Entdeckung unvermeidbar (falls es existiert)
Gluonen aus Protonen: gg H
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Das Standard-Modell
19 Teilchen, 26 freie NaturkonstantenIst das ALLES ? Bauprinzip ?
Vereinfachungen ? Vereinheitlichungen ?
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Theorien der Physik
Energie, Temperatur, -Zeit
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004
Extrapolation der Naturgesetze
Kosmologie und Teilchen
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Supersymmetrie
Symmetrie zwischen Fermionen (Sin 1 /2, 3/2) und Bosonen (Spin 0, 1,
2) Jedes Teilchen bekommt ein
Partnerteilchen1/21/2 Leptonen (e, Leptonen (e, ee, …), …)
Quarks (u, d, …)Quarks (u, d, …)11 GluonenGluonen
WW
ZZ00
Photon (Photon ())0022
HiggsHiggsGravitonGraviton
SpinSpin StandardteilchenStandardteilchenSleptonen (e, Sleptonen (e, ee, …), …)Squarks (u, d, …)Squarks (u, d, …)
SpinSpinSuperpartnerSuperpartner00
1/21/2GluinosGluinosWinoWinoZinoZinoPhotino ( Photino ( ))
1/21/23/23/2
HiggsinoHiggsinoGravitinoGravitino
~~
~~ ~~~~~~
Photino kann nicht zerfallen ! Eich-Wechselwirkungen bleiben
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004
Hinweise auf Supersymmetrie: Kopplungen
Quantenkorrekturen beeinflussen Natur”Konstanten”
Standard-Modell: keine VereinheitlichungSupersymmetrie: Vereinheitlichung
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004
Hinweise auf SupersymmetryDunkle Materie im Kosmos
Gravitation ~ 1/r2 Rotationskurven (Keppler)
Abweichung von Keppler Gesetzen Abweichung von Keppler Gesetzen oder Neue Form unsichtbarer oder Neue Form unsichtbarer Materie: “ Dark Matter “ im Materie: “ Dark Matter “ im HALOHALO
Sonnensystem
Galaxie NGC6503
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Dunkle Materie im Kosmos
Aus Beobachtung weit entfernter Supernova Expolsionen Kosmologische Dichte
Dunkle EnergieDunkle Energie(Kosmologische Konstante)(Kosmologische Konstante)
DunkleDunkle MaterieMaterie
Normale MaterieNormale Materie (davon nur ca.(davon nur ca. 10% leuchtend)10% leuchtend)
NeutrinosNeutrinos min. 0.1%min. 0.1% max. 6%max. 6%
Unbekannte Form der Materie: Photino ???
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Supersymmetrie am LHC
Simulation Supersymmetrischer Ereignisse bei LHC
Supersymmetrie kann mit grosser Wahrscheinlichkeit gefunden werden
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004
Stand der PhysikEin Zitat:
…it seems probable that most of the grand underlying principles of Physical Science have been firmly established and that further advances are to
be sought chiefly in the rigorous applications of these principles to all the phenomena which come
under our notice.…
An eminent physicist has remarked that the future truths of Physical Science are to be looked for in
the sixth place of decimals.Aus: Physics Curriculum Uni. Chicago, 1898-99Kurz danach:
Roentgen Strahlung, Entdeckung des Elektrons, Atom = Kern+Huelle, Relativitaetstheorie,
QuantenmechanikBald: Higgs, SUSY
Peter SchleperRevolutionen der
Teilchenphysik Februar 2004Experimenteller Urknall
HiggsSupersymmetry
Extra DimensionenSchwarze Loecher