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Aktuelle Fragen der Teilchenphysik Überblick: - Was die Welt im

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Neue Experimente der Teilchen – und Astroteilchenphysik,
W. Dünnweber + M. Faessler,
MF, 1.Vorlesung, 15.4.08
Aktuelle Fragen der Teilchenphysik
Überblick:
- Was die Welt im Innersten zusammenhält
- Teilchenbeschleuniger
- Verschiedene Teilchen-Wechselwirkungen,
-1Wirkungsquerschnitte
Das Innerste: Die 60 bekannten Elementarteilchen:
3 „Familien“ von Materieteilchen (Spin ½ )
6 Leptonen
1.Familie : Elektron e-, Neutrino νe
2.Familie: Myon
µνµ
3.Familie: Tauon τντ
3 x 6 Quarks
1.Familie:
2.Familie:
3.Familie:
up u,
charm c,
top t,
down d
strange s
bottom b
24 verschiedene Teilchen + 24 Antiteilchen e+, v
e
d u s
12 Austauschteilchen, Quanten der Kraftfelder (Spin 1)
Photon γ; W+-, W--, ZO- Bosonen; 8 Gluonen
Gesucht: Graviton (Spin 2), Higgs Boson (Spin 0)
Elementarteilchen unterscheiden sich in insges. 6 Eigenschaften:
Spin, Familienzugehörigkeit und (vereinfacht) Masse („Schwereladung“), elektrische, schwache und starke Ladung . Die Ladungen
sind für die Wechselwirkungen relevant. Siehe nächste Seite.
-2-
..und was es zusammenhält:
Die drei Elementarkräfte
KRAFT
STÄRKE / N *
REICHWEITE
(assoziiertes Feldquant)
1)Gravitationskraft
~ 2· 10 -28
Unendlich
~ 2· 10 +8
unendlich
(Graviton??)
2) Elektro(Photon)
2 ·10-18 m
schwache Kraft
(W und Z Bosonen)
3) starke Kraft
~ 1· 10 +10
1· 10-15 m
(8 Gluonen)
•Zum Vergleich der Stärken der Wechselwirkungen: Zahlen entsprechen der
Kraft zwischen 2 Quarks im Abstand von r = 10-18 m (innerhalb der Reichweite
aller Kräfte)
N = Masseneinheit der Kraft: 1 N = 1 Newton = Kraft, um ein Glas (1 Deziliter)
Wasser hoch zu heben
Quarkmasse 1 GeV / c² (Masse eines Nukleons), elektrische Ladung von up, charm, oder top-Quark.
Die Formel zur Berechnung:
Kraft F = („Ladung“)2 · (ћc / r2) mit ћ = h/2π ;
für r = 10 -18 m ist (ћc/r²) = 3 ·1010 N
-3-
Wie sich das Universum aus Elementarteilchen zusammensetzt
Von Quarks zu Hadronen
►Bestimmte Kombinationen aus Quarks und Antiquarks sind durch die starke Kraft
gebunden: „Hadronen“: ca 400 verschiedene Hadronen bekannt.
Die meisten Hadronen extrem kurzlebig.
(Antiproton auch stabil).
►Nur 1 Hadron ist stabil, das Proton!
Das Neutron ist nur im Kern-Verbund stabil.
►Proton besteht aus 2 Up- , 1 Down-Quark + Gluonen, kleine Anteile von
Antiquarks und anderen Flavours.
Neutron analog aus 2 Down-, 1 Up-Quark, Gluonen etc.
Von Hadronen zu Kernen
►Neutron n und Proton p sind in bestimmten Kombinationen durch die starke Kraft
zu Kernen gebunden. Ca 350 stabile Kerne. Zahl der Protonen pro Kern ist
1 (Wasserstoff) bis 92 (Urankern) . Sichtbare Masse des Universums besteht zu
75% aus Wasserstoff, 25% Helium, < 1% schwerere Kerne.
(Kohlenstoff, Sauerstoff etc sind rar im Weltall!)
-4-
Von Kernen und Elektronen zu Atomen zu komplexer Materie
►Kerne und Elektronen werden durch die elektromagnetische Kraft zu Atomen
gebunden.
Atome werden durch elektromagnetische Kraft zu Molekülen und komplexeren
Substanzen gebunden.
Von Materie zu kosmischen Objekten
►Grosse Mengen von Materie werden durch die Schwerkraft zu Planeten, Sternen,
Galaxien gebunden.
Zusammenfassung:
Wir und die ganze Erde bestehen im Wesentlichen aus Up- und Downquarks,
Gluonen, Elektronen und Photonen. Nimmt man noch die bisher erforschte Zusammensetzung von und die Vorgänge in Sternen hinzu, hat es den Anschein:
Die 1. Familie von Elementarteilchen zusammen mit den Bosonen γ, W, Z ,
Gluonen und den drei elementaren Kräften hätten genügt!
-5-
Arbeitshypothese von Teilchenphysikern:
►Ausgehend von den 60 Elementarteilchen-Individuen, den 3 bekannten Kräften
und wenigen physikalischen Grundgleichungen und Bauprinzipien (z.B. Pauliprinzip)
►muss sich das ganze Universum im Prinzip beschreiben lassen,
►bis zur inneren Grenze
von gegenwärtig 10 -18 m
in ein paar Jahren, nach Inbetriebnahme von LHC: 10 -19 m
►und zurück in die Vergangenheit bis zu 10 -4 Sekunden nach dem Urknall.
(Zu dieser Zeit entsprach die Temperatur des Weltalls Teilchenenergien
von 10+12 eV = gegenwärtig höchste Beschleunigerenergie, am Tevatron, USA)
Zusammenhang zwischen Teilchenenergie oder -impuls und innerer Grenze
gegeben durch de Broglie - Wellenlänge
In der Praxis setzen nur die Komplexität von Substanzen, die ungeheure Zahl der
Komponenten (Beispiel Gehirn von Menschen und Tieren) der exakten Beschreibung
eine Grenze.
-6-
Die grossen Fragen der Elementarteilchenphysik – eine persönliche Auswahl
►Warum gibt es 3 Familien mit identischen „Ladungen“ (abgesehen von Masse)?
►Sind die gegenwärtigen Elementarteilchen elementar, sind sie Strings, oder
bestehen sie aus noch kleineren Teilchen? Wie sieht es weiter innen aus, unterhalb
von 10 -18 m ?
►Lassen sich die drei fundamentalen Kräfte zu einer Kraft vereinheitlichen?
►Gibt es das Higgsboson, ein hypothetisches Teilchen, das von der heutigen
Standardtheorie der elektro-schwachen Wechselwirkung gebraucht wird?
►Wo ist die Antimaterie geblieben, die nach dem Urknall in gleicher Anzahl wie die
Materie erzeugt wurde, nach unseren Vorstellungen?
►Woraus besteht die Dunkelmaterie und Dunkelenergie in den Galaxien? Eine
neue Spezies von Elementarteilchen?
-7-
Alles Fragen, vielleicht sogar beantwortbar, die bescheiden sind in Anbetracht der
unfassbaren Proliferation von Elementarteilchen, insbesondere von Photonen,
Up- und Down-Quarks und Elektronen in unserem Universum, und in Anbetracht der
Komplexität makroskopischer Objekte:
Jeder Mensch enthält ca 10 29 Upquarks...
Die Sonne 2•10 28 mal so viel.
Es gibt 1011 Sonnen in der Galaxis und 1011 Galaxien im Universum.
Der reine Wahnsinn.
Warum gibt es so aberwitzig viele Teilchen?
Hier sind wir bei der Sorte von „kindlichen“ Fragen angekommen, die wahrscheinlich
eher unbeantwortbar sind.
-8-
3 Beispiele für Teilchenbeschleuniger
Bisher größter (Kreis-)Beschleuniger ( war 1989-2000 aktiv) :
LEP
Large Electron Positron Collider am CERN, Genf, Umfang 28 km
0.1 TeV Elektronen auf 0.1 TeV Positronen
(1 TeV = 1012 eV )
Beschleuniger mit der zur Zeit größten Energie
TEVATRON
Antiproton-Proton Collider am Fermilab, Chicago
1 TeV Protonen auf 1 TeV Antiprotonen
Größter Beschleuniger mit höchster Energie (ab 2008):
LHC
Large Hadron Collider 28 km Umfang wie LEP , am CERN
8 TeV Protonen auf 8 TeV Protonen
LHC wird die innere Grenze von 10-18 auf 10-19 m verschieben.
-9-
Elektron-Positron – Vernichtung
zahlreiche Collider SPEAR,,, LEP, PEP-II, KEKB,….
Elementarer Prozess:
e+e-
virtuelles Vektorboson (γ, Z)
Teilchen + Antiteilchen
wobei Teilchen elektrische oder schwache Ladung haben muss.
Elektrische Ladung sei q in Einheiten der Elementarladung e,
Ruheenergie des virtuellen Photons = Q, dann ist
Wirkungsquerschnitt σ = (4π/3) · (αq·Ћc/Q)2
mit α = 1/137
Ћc = 0.2 GeV fm
Vertikale Skala im folgenden Bild: Einheit mb = 10-27 cm2 (pb in PDG06 ist falsch)
Darunter ist R = σ (e+e- Hadronen)/ σ(e+e- µ+µ-) gezeigt.
Schwerpunktsenergie √s = Q
-10-
-11-
Lepton-Nukleon- Wechselwirkung zur
Untersuchung der inneren Struktur des Nukleons.
SLAC und zahlreiche Experimente mit Elektronen, Neutrinos, Myonen an
Hadronen-Beschleunigern; HERA (DESY, Hamburg) ep (30GeV x 1TeV)
Elementarer Prozess (ähnlich wie bei e+e-Vernichtung):
Lepton emittiert (Bremsstrahlung) virtuellesVektorboson(γ, Z) mit variabler
Ruheenergie Q und Laborenergie EV, das mit Teilchen (Quarks) im
Nukleon mit elektrischer oder schwacher Ladung wechselwirkt.
Differentieller Wirkungsquerschnitt für eine bestimmte Quarksorte mit
Ladung q, für V= γ (virtuelles Photon):
dσ/dxdQ2 = 2π · [1+(1-y)2]·f(x,Q2)· (αq·Ћc)2 / Q4
wobei y = Eγ / Leptonenergie
x = Linearimpulsanteil des Quarks im Nukleon und
f(x,Q2) = Wahrscheinlichkeit für Impulsanteil x des Quarks
-12-
Proton- u. Antiproton-Proton oder –Kern-Wechselwirkungen.
Am kompliziertesten aber auch reichhaltigsten an elementaren Prozessen.
Zahlreiche Beschleuniger. 4 Collider, zuletzt Tevatron u LHC.
Totale Wirkungsquerschnitte in etwa konstant,
schwacher, logarithmischer Anstieg mit der Energie bei
hoher Energie.
Analogon: Zusammenstoss von 2 zunehmend undurchlässigen
Scheiben mit festem Radius (Reichweite der starken
Wechselwirkung). Grenzfall undurchlässig: totaler
Wirkungsquerschnitt = 2 mal geometrischer Querschnitte,
elastischer WQ= inelastischer WQ
(optisches Theorem, Unitarität, QM)
-13-
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Kreativität der Wechselwirkungen
(Teilchenerzeugung aus dem Vakuum)
Das, wonach der Teilchenphysiker meistens sucht, wofür er
Detektoren baut, …
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Seele and Geist
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