Peter SchleperVon Quanten, Quarks und...
April 2005Von Quanten, Quarks und der spanischen Königin
Ein Ausflug an die Grenzen der Physik
Peter SchleperHamburg, 4.4.2005
Peter SchleperVon Quanten, Quarks und...
April 2005
Quantenphysik: kleinste Bausteine der Natur
Periodensystem der ElementeTeilchenphysik: Quarks und Elektronen fundamental und unteilbar
In Hamburg: Institut für Experimentalphysik + DESY: Deutsches Elektronen Synchrotron
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April 2005
Materie und Antimaterie Relativität und Quantentheorie
Paul Dirac 1928 :Albert Einstein 1905:
Spezielle Relativitätstheorie:Masse ist eine Form von Energie• Aus Energie können neue Teilchen mit Masse erzeugt werden
Relativitätstheorie + QuantentheorieVorhersage der AntimaterieElektron: Ladung = - 1Positron: Ladung = +1
Mathematische Strukturen Vorhersage der Eigenschaften der Natur
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April 2005Entdeckung der Antimaterie
Photo einer TeilchenreaktionHöhenstrahlung
Ursprung der Höhenstrahlung ?
Blasenkammer 1933
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April 2005Teilchen-Erzeugung
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April 2005Teilchen-Beschleuniger
• Kosmos: Teilchenrate zu (?) gering• e+e- Beschleuniger: Präzision Vorhersagen• pp Beschleuniger: Energie groß Entdeckungen
DESY Gelände in HH-Bahrenfeld
E= mc2 viel Energie um neue Teilchen zu entdecken • Chemische Bindung ~ 1 eV • Masse Proton: 1 GeV• Masse top Quark: 175 GeV
Beschleuniger:• HERA: 320 GeV• Large Hadron Collider: 14000 GeV Proton• International Linear Collider: ~0,8 TeV Elektron
HERA: 6,7 km Tunnel, 1 Mrd Euro
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April 2005HERA: Starke Kraft der Quarks
ZEUS-Experiment
Quark - Jet
e+
Elektron
p
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April 2005
Das Standard-Modell:Teilchen und Kräfte
Materie-Teilchen: 1. Generation
Entdeckungen2. Generation: Myon, Strange Quark Vorhersage: Neutrino,Charm3. Generation: Tau, Bottom Vorhersage: Neutrino, Top
Naturkräfte:1. Elektromagnet.: Photon2. Schwache Kraft: W,Z (CERN)3. Starke Kraft: Gluon (DESY)4. Gravitation: ?
…wegen Symmetrie zur 1.Generation
23 Nobelpreise seit 1967
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April 2005Theorien der Physik
Warum diese Teilchen ?Warum diese Massen, Ladungen ?
Gelten die Naturgesetze überall und immer ?
Warum ist die Natur so, wie sie ist ?
Sind die Naturgesetze Vollständig ?Weltformel ?
Matemathische Widersprüche bei Energie ~ 1000 GeV Higgs Teilchen, Supersymmetrie vorhergesagt, bisher nicht gefunden
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April 2005
Extrapolation der Naturgesetze
Kosmologie und Teilchenphysik
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April 2005Dunkle Materie im Kosmos
Aus Beobachtung der Rotation von Galaxienund weit entfernter Supernova-Explosionen
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 ???
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April 2005LHC: der Large Hadron Collider
CERN: Europäisches Zentrum für Teilchenphysik in Genf
Proton-Proton Kollisionen bei 14000 GeV
Faktor 1000 mehr Kollisionen als bisher
27 km TunnelStart: 2007
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April 2005CMS Detektor
• 1950 Physiker aus 39 Ländern• 10 Jahre Bauzeit• 400 MEuro• 2000 GByte Daten / Jahr
CMS: 50 Mill. elektron. Kanäle 214 m2 Fläche Silizium-WaferZEUS: 2,5 m2
Im Vergleich: ZEUS
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April 2005Moderne Detektoren
Präzision durch Halbleiter-TechnologieDiode in Sperrichtung: Strom nur bei
Ionisation durch Teilchen• Auflösung (Ort): 10 m• Impulsmessung im Magnetfeld: bis ca 1012 eV
Teil eines Si-Wafers
Teilchen-Rekonstruktion
Institut für Exp. Physik
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April 2005Supersymmetrie am LHC
Simulation Supersymmetrischer Ereignisse bei LHC
Supersymmetrie kann mit grosser Wahrscheinlichkeit gefunden werden
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April 2005Higgs bei LHC
Higgs Entdeckung unvermeidbar (falls es existiert)
Gluonen aus Protonen: gg H
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April 2005International Linear e+e- Collider
DESY: Beschleunigungsrekord35000000 Volt / m
Weltweite Übereinstimmung aller Teilchenphysiker: ILC ist nächstes Großprojekt
Konkurrenz: Japan, USA, Deutschland (DESY: TESLA) DESY Technology: Supraleitende Kavitäten
33 km langer Tunnel im Norden von Hamburg
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April 2005e+e- Linear Collider
Vorteile:•Sehr einfache Messungen•Große Genauigkeit•Extrapolation zu großen Energien
Stand des Projekts:
DESY Vorschlag 2000Japan, USA: 2004
Weltweite Einigung auf:DESY Supraleitungs-TechnologieEinmaliges Zeugnis für deutsche Hochtechnologie !
EU, USA, Japan, …OECD Ministerrat, UN Science Forum
Physiker warten auf politische Entscheidung…..…besonders auch in Hamburg
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April 2005
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:
Röntgen Strahlung, Entdeckung des Elektrons, Atom = Kern+Hülle, Relativitätstheorie,
QuantenmechanikBald: Higgs, SUSY
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April 2005
Forschungsförderung am Beispiel: Terra incognita
Internationale Zusammenarbeit3-fach redundantes Experiment
Nicht wie erwartet, dennoch großer Erfolg.
•Fundamentale neue Theorie•Plan für ein Experiment•Verspricht Geldgebern großen praktischen Nutzen
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April 2005Zusammenfassung: Teilchenphysik
HiggsSupersymmetry
Extra DimensionenSchwarze Loecher
Nutzen:Supraleitungs-Technologie (DESY)
world wide web (CERN !)world wide grid
Grundlagenforschung ist Teil unsererkulturellen und
wirtschaftlichen Identität