Was die Welt im Innersten zusammenhält Teilchenphysik am Large Hadron Collider 1 2 2 2 2 Teil 1: Einführung 3 Warum Teilchenphysik? 4 Warum Teilchenphysik? • • Interesse und Neugier! • Anwendungen: Erkenntnisgewinn über Geschichte, Funktionsweise und Aufbau des Universums 4 Warum Teilchenphysik? • • Interesse und Neugier! • Anwendungen: Erkenntnisgewinn über Geschichte, Funktionsweise und Aufbau des Universums World Wide Web 4 Warum Teilchenphysik? • • Interesse und Neugier! • Anwendungen: Erkenntnisgewinn über Geschichte, Funktionsweise und Aufbau des Universums World Wide Web Medizin 4 Wie forschen Teilchenphysiker? 5 Wie forschen Teilchenphysiker? 5 Wie forschen Teilchenphysiker? • Medizin: Krankheitserreger verursachen beobachtbare Symptome 5 Wie forschen Teilchenphysiker? • Medizin: Krankheitserreger verursachen beobachtbare Symptome • Teilchenphysik: Interaktion von Teilchen nicht direkt beobachtbar, nur sog. Endzustände 5 Wie forschen Teilchenphysiker? 6 Wie forschen Teilchenphysiker? 6 Wie forschen Teilchenphysiker? • • Medizin: teure, hochkomplexe Maschinen Teilchenphysik: teure, hochkomplexe Maschinen 6 Wie forschen Teilchenphysiker? • • Medizin: teure, hochkomplexe Maschinen Teilchenphysik: teure, hochkomplexe Maschinen $1.5 Millionen $450 Millionen 6 Wie forschen Teilchenphysiker? 7 Wie forschen Teilchenphysiker? Proton ? Proton 7 Wie forschen Teilchenphysiker? Proton ? Proton Beschleuniger 7 Wie forschen Teilchenphysiker? Proton ? Proton Beschleuniger Theorie 7 Wie forschen Teilchenphysiker? Proton ? Proton Beschleuniger Theorie Detektor 7 Teil 2: Theoretisches Wie Physiker sich die Welt vorstellen 8 Was ist Teilchenphysik? • Lehre von den fundamentalen Bausteinen der Natur und ihren Wechselwirkungen 10-2m 10-9m 10-10m 10-14m 10-15m < 10-18m 9 Was ist Teilchenphysik? • Lehre von den fundamentalen Bausteinen der Natur und ihren Wechselwirkungen ...? 10-2m 10-9m 10-10m 10-14m 10-15m < 10-18m 9 Bausteine der Materie • alle stabile Materie ist aufgebaut aus Elektronen und Up und Down Quarks 10 Bausteine der Materie 11 Bausteine der Materie 11 Bausteine der Materie 12 Bausteine der Materie Bausteine aller stabilen Materie 12 Bausteine der Materie Bausteine aller stabilen Materie Schwerere Kopien der ersten Generation, instabil 12 Elementarteilchen 13 Elementarteilchen • haben keine Ausdehnung (punktförmig), nicht weiter teilbar (nach gegenwärtigem Stand der Forschung) 13 Elementarteilchen • haben keine Ausdehnung (punktförmig), nicht weiter teilbar (nach gegenwärtigem Stand der Forschung) • haben Eigenschaften: Masse, Ladung, Spin... 13 Elementarteilchen • haben keine Ausdehnung (punktförmig), nicht weiter teilbar (nach gegenwärtigem Stand der Forschung) • • haben Eigenschaften: Masse, Ladung, Spin... jedes geladene Teilchen hat ein entgegengesetzt geladenes Anti-Teilchen (mit der gleichen Masse) 13 Was ist Teilchenphysik? • Lehre von den fundamentalen Bausteinen der Natur und ihren Wechselwirkungen. 14 Was ist Teilchenphysik? • Lehre von den fundamentalen Bausteinen der Natur und ihren Wechselwirkungen. Gravitation 14 Was ist Teilchenphysik? • Lehre von den fundamentalen Bausteinen der Natur und ihren Wechselwirkungen. Gravitation Elektro- magnetismus 14 Was ist Teilchenphysik? • Lehre von den fundamentalen Bausteinen der Natur und ihren Wechselwirkungen. Gravitation Elektro- magnetismus schwache Kraft 14 Was ist Teilchenphysik? • Lehre von den fundamentalen Bausteinen der Natur und ihren Wechselwirkungen. Gravitation Elektro- magnetismus schwache Kraft starke Kraft 14 Wechselwirkungen • 4 Wechselwirkungen erklären alle physikalischen Phänomene 15 Wechselwirkungen • 4 Wechselwirkungen erklären alle physikalischen Phänomene Planetenbewegung 15 Wechselwirkungen • 4 Wechselwirkungen erklären alle physikalischen Phänomene Planetenbewegung Elektromagnetische Wellen, Zusammenhalt von Atomen, Chemie, Magnetismus 15 Wechselwirkungen • 4 Wechselwirkungen erklären alle physikalischen Phänomene Planetenbewegung Elektromagnetische Wellen, Zusammenhalt von Atomen, Chemie, Magnetismus Kernzerfälle (Betazerfall), Kernfusion, Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie 15 Wechselwirkungen • 4 Wechselwirkungen erklären alle physikalischen Phänomene Planetenbewegung Elektromagnetische Wellen, Zusammenhalt von Atomen, Chemie, Magnetismus Kernzerfälle (Betazerfall), Kernfusion, Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie Anziehung zwischen Quarks, Zusammenhalt von Atomkernen 15 Wechselwirkungen, wie? • durch Austauschteilchen ! ! ! ! ! ! • Quarks und Leptonen “kommunizieren” untereinander indem sie Austauschteilchen aussenden/einfangen 16 Wechselwirkungen, wer? Photon: elektronmagnetische Wechselwirkung Gluon: starke Wechselwirkung Z- und W-Bosonen: schwache Wechselwirkung ??? 17 Wer wechselwirkt wie? 18 Warum braucht es das Higgs? 19 Warum braucht es das Higgs? • Standardmodell beste Erklärung der Natur die wir haben 19 Warum braucht es das Higgs? • • Standardmodell beste Erklärung der Natur die wir haben Massen der Elementarteilchen im Standardmodell nicht “einfach so” einführbar 19 Warum braucht es das Higgs? • • Standardmodell beste Erklärung der Natur die wir haben • Higgs-Mechanismus ermöglicht dies, bedingt Existenz des Higgs-Teilchens Massen der Elementarteilchen im Standardmodell nicht “einfach so” einführbar 19 Warum braucht es das Higgs? • • Standardmodell beste Erklärung der Natur die wir haben • Higgs-Mechanismus ermöglicht dies, bedingt Existenz des Higgs-Teilchens • fehlendes Puzzle-Teil -> Higgs-Teilchen Massen der Elementarteilchen im Standardmodell nicht “einfach so” einführbar 19 Warum braucht es das Higgs? • • Standardmodell beste Erklärung der Natur die wir haben • Higgs-Mechanismus ermöglicht dies, bedingt Existenz des Higgs-Teilchens • fehlendes Puzzle-Teil -> Higgs-Teilchen Massen der Elementarteilchen im Standardmodell nicht “einfach so” einführbar 19 Warum braucht es das Higgs? • • Standardmodell beste Erklärung der Natur die wir haben • Higgs-Mechanismus ermöglicht dies, bedingt Existenz des Higgs-Teilchens • fehlendes Puzzle-Teil -> Higgs-Teilchen Massen der Elementarteilchen im Standardmodell nicht “einfach so” einführbar 126 GeV 19 Ende Teil 2 20 Teil 3: Wie findet man das Higgs? 21 Wir erzeugt man das Higgs? Teilchenbeschleuniger ➢ Erzeugung massereicher Teilchen Masse ist eine Form von Energie! E= 2 mc 22 Wir erzeugt man das Higgs? Teilchenbeschleuniger ➢ Erzeugung massereicher Teilchen Masse ist eine Form von Energie! • Masse und andere Energieformen können sich ineinander umwandeln. Beispiel: E= 2 mc 22 Wir erzeugt man das Higgs? Teilchenbeschleuniger ➢ Erzeugung massereicher Teilchen Masse ist eine Form von Energie! • Masse und andere Energieformen können sich ineinander umwandeln. Beispiel: • Kernspaltung im Kraftwerk (Masse →Wärme → elektrische Energie) E= 2 mc 22 Wir erzeugt man das Higgs? Teilchenbeschleuniger ➢ Erzeugung massereicher Teilchen Masse ist eine Form von Energie! • Masse und andere Energieformen können sich ineinander umwandeln. Beispiel: • Kernspaltung im Kraftwerk (Masse →Wärme → elektrische Energie) • Teilchenkollisionen! (Bewegungsenergie → Masse) E= 2 mc 22 Wir erzeugt man das Higgs? Teilchenbeschleuniger ➢ Erzeugung massereicher Teilchen Masse ist eine Form von Energie! • Masse und andere Energieformen können sich ineinander umwandeln. Beispiel: • Kernspaltung im Kraftwerk (Masse →Wärme → elektrische Energie) • Teilchenkollisionen! (Bewegungsenergie → Masse) E= 2 mc 22 Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) 23 Das CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) 24 Der LHC (Large Hadron Collider) 25 Was geschieht im LHC? 26 Was geschieht im LHC? • • Protonen kreisen in entgegengesetzten Richtungen mit einer Energie von je 4 Tera-Elektronenvolt (TeV) Wenn die Protonen zusammenstoßen, entstehen neue Teilchen, die man in Detektoren nachweist. 26 Was geschieht im LHC? • • Protonen kreisen in entgegengesetzten Richtungen mit einer Energie von je 4 Tera-Elektronenvolt (TeV) Wenn die Protonen zusammenstoßen, entstehen neue Teilchen, die man in Detektoren nachweist. Aber von Anfang an: Es beginnt mit einer Flasche voller Wasserstoff … 26 Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? ! ! ! ! ! ! ! 27 Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? ! Der einfachste Beschleuniger: ! Ein alter Fernseher (Braun‘sche Röhre)! • Elektronen erzeugen: Glühkathode ! • …beschleunigen: elektrisches Feld (Hochspannung) • …ablenken und fokussieren: elektrisches oder magnetisches Feld ! ! ! ! ! ! 27 Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? ! Der einfachste Beschleuniger: ! Ein alter Fernseher (Braun‘sche Röhre)! • Elektronen erzeugen: Glühkathode ! • …beschleunigen: elektrisches Feld (Hochspannung) • …ablenken und fokussieren: elektrisches oder magnetisches Feld ! ! ! ! ! ! Glühkathode Fokussier- Anode Elektrode Leuchtschirm Ablenkplatten Elektronen- Strahl 27 Wie funktioniert der LHC? Im LHC durchlaufen Pakete (Bunches) von Protonen eine kreisförmige Bahn, auf der sie… ! • …beschleunigt werden (elektrisches Wechselfeld) • …abgelenkt werden… (Dipol-Magnete) • …und fokussiert werden (Quadrupol-Magnete) 28 Der LHC ist… • Eine der schnellsten Rennstrecken der Welt − Knapp eine Billiarde Protonen − 99,999997% der Lichtgeschwindigkeit − 27 km langer Tunnel ➢ Wieviele Grenzübertritte pro Sekunde? 29 Teilchenkollisionen im LHC • 2 gegenläufige Protonenstrahlen • …mit je 1400 Teilchenpaketen Teilchenpakete • 100 Milliarden Protonen pro Paket ! Protonen • 20 Millionen Paket-Kreuzungen pro Sekunde… • …mit je etwa 30 Proton-ProtonKollisionen Quarks, Gluonen ➔ ca. 600 Millionen Kollisionen pro Sekunde! 30 Im Schnelldurchlauf 31 Analyse von Teilchenspuren im ATLAS Detektor 32 Wie weist man Elementarteilchen nach? 33 Wie weist man Elementarteilchen nach? ! Bildgebende Detektoren z.B.: Nebelkammer, Blasenkammer ! ! ! ! ! ➢sichtbare Teilchenspuren 33 Wie weist man Elementarteilchen nach? ! Elektronische Detektoren Bildgebende Detektoren ! z.B.: Nebelkammer, Blasenkammer z.B: ATLAS-Detektor, Geigerzähler ! ! ! ! ! ! ! ! ! ➢sichtbare Teilchenspuren ! ➢elektrische Signale ➢Eigenschaften der Teilchen werden daraus rekonstruiert 33 Wer ist ATLAS? 37 Länder 173 Institute 3000 Wissenschaftler 34 Der ATLAS-Detektor 35 Der ATLAS-Detektor Spurdetektoren … messen die Spuren und Impulse von geladenen Teilchen … befinden sich in einem Magnetfeld 35 Der ATLAS-Detektor Spurdetektoren … messen die Spuren und Impulse von geladenen Teilchen … befinden sich in einem Magnetfeld Elektromagnetisches Kalorimeter … misst die Energie von Elektronen, Positronen und Photonen 35 Der ATLAS-Detektor Spurdetektoren … messen die Spuren und Impulse von geladenen Teilchen … befinden sich in einem Magnetfeld Hadronisches Kalorimeter … misst die Energie von Hadronen (= aus Quarks bestehende Teilchen) Elektromagnetisches Kalorimeter … misst die Energie von Elektronen, Positronen und Photonen 35 Der ATLAS-Detektor Spurdetektoren … messen die Spuren und Impulse von geladenen Teilchen … befinden sich in einem Magnetfeld Hadronisches Kalorimeter … misst die Energie von Hadronen (= aus Quarks bestehende Teilchen) Elektromagnetisches Kalorimeter … misst die Energie von Elektronen, Positronen und Photonen Myonenkammern … messen die Spuren und Impulse von Myonen … befinden sich in einem Magnetfeld 35 4.7.2012: Die Higgs-Entdeckung 36 Vielen Dank für Ihr Interesse! Für weitere Informationen: - Fragerunde jetzt - Stand im Foyer Beyer-Bau - http://teilchenwelt.de 37 Externe Bildnachweise Folie 6: www.HDWallpaperBank.com (FOX) Folie 7: wikipedia.de, FOX, CERN Folie 8: CERN 38
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