![Page 1: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/1.jpg)
Vom Kristall zum
Elementarbaustein
Vom Kristall zum
Elementarbaustein
Rainer WankeUniversität Mainz
Eine Reise zu den kleinsten Teilchen
Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002
![Page 2: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/2.jpg)
Überblick
Überblick
Auf dem Weg zu immer kleineren Dimensionen - die Entdeckung von elementaren Teilchen
Von Quarks und Leptonen - das Standardmodell der Teilchenphysik
Wie untersuche ich ein Elementarteilchen? - ein Blick ins Forschungszentrum CERN
Offene Fragen – warum bleibt‘s auch in Zukunft spannend?
![Page 3: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/3.jpg)
Untersuchung von Materie
Untersuchung von Materie
Wie untersuchen wir üblicherweise dieMaterie um uns herum?
Große Objekte (> 1 mm) Einfaches Anschauen
Kleinere Objekte (~10 μm – 1 mm) Vergrößerung mit optischem Mikroskop
Noch kleinere Objekte: Objekte sind so groß oder sogar kleiner als die Wellenlänge des Lichts (0,3 – 0,7 μm ). Objekte stören Welle nicht. Strukturen können nicht mehr aufgelöst werden !
![Page 4: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/4.jpg)
Wie kann man dennoch kleinere Strukturen untersuchen?
Verwende kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht!
z.B.: Röntgenstrahlung, Wellenlänge ≈ 0,1 nm Gammastrahlung, Wellenlänge « 0,1 nm
Röntgenbeugung z.B.
Reflexion anKristallgitterebenen
Gitterabstand: d = 2 sin θAufbau des
Kristallgitters
„Laue-Diagramm“
Kristallstrukturen
![Page 5: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/5.jpg)
Nachteile von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlungfür Strukturuntersuchungen:
Fokussierung mit optischen Linsen nicht möglich. Andere Methoden schwierig / nicht existent.
Röntgenstrahlung nicht kurzwellig genug für sehr kleine Strukturen – Gammastrahlung sehr schwierig kontrolliert herzustellen.
Verwende Teilchen stattelektromagnetischer Strahlung !
Bessere Idee:
![Page 6: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/6.jpg)
Welleneigenschaft von TeilchenWelleneigenschaft von Teilchen
Quantenphysik: Jedes Teilchen ist auch gleichzeitig eine Welle mit einer Wellenlänge
h / p (de Broglie-Wellenlänge)
Planck‘sches Teilchenimpuls Wirkungsquantum
(umgekehrt: Elektromagnetische Wellen bestehen aus Teilchen Photonen )
Hohe räumliche Auflösungen = kleine Wellenlängen = große Impulse
Verwendete Teilchen: z.B. Elektronen (leicht zu erzeugen und handzuhaben)
![Page 7: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/7.jpg)
Elektronenmikroskop
Elektronenmikroskop
Herpesvirus
Lampe Elektronquelle (z.B. Heizdraht)
Licht beschleunigte
Elektronen
Linsen
Elektrische/magnetische Felder
Auge Detektor für Elektronen
Zellkern
![Page 8: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/8.jpg)
Beschleunigung von geladenen Teilchen
Beschleunigung von geladenen Teilchen
Elektrisch geladene Teilchen (z.B. Elektronen) können aufeinfache Weise in einem elektrischen Feld beschleunigt werden.
Einfacher Elektronenbeschleuniger:
Fernsehapparat (= Braunsche Röhre)
![Page 9: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/9.jpg)
Elektron durchläuftSpannungsdifferenz von 1 Volt
kinetische Energie des Elektrons erhöht sich um
1 eV = 1 „Elektronvolt“ = 1,6 x 10-19 Joule
z.B. Fernseher: Spannung ~ 10 kV = 10 000 V Elektronen haben kinetische Energie von 10 keV
E = mc2
Massen: Teilchenmassen werden in eV/c2 gemessen.
E = m c2 m = E / c2
z.B.: Masse des Elektrons = 511 keV/c2 = 9,1 x 10-31 kg Masse des Protons = 938 MeV/c2 = 1,7 x 10-27 kg
![Page 10: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/10.jpg)
Radioaktive Strahlung
Radioaktive Strahlung
Entdeckung der Radioaktivität und derradioaktiven Strahlung durchHenri Becquerel, Marie und Pierre Curie.
Unterscheidung von:
Alpha-Strahlung () Beta-Strahlung () Gamma-Strahlung ()
Helium-AtomkerneElektronenPhotonen
![Page 11: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/11.jpg)
Kosmische StrahlungKosmische Strahlung
Problem bei der Untersuchung der Radioaktivität:
Es gab einen nicht reduzierbaren Untergrundin den Messungen, selbst wenn gar keinradioaktives Material vorhanden war.
Angenommene Erklärung:
Es gibt eine ständig vorhandene Strahlung,möglicherweise von ausserhalb der Atmosphäre.
Dann muss diese Strahlung mit zunehmenderHöhe ebenfalls zunehmen!
![Page 12: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/12.jpg)
1912:
Der ÖsterreicherVictor Hess entdeckt diekosmische Strahlungdurch Ballonflüge.
Nobelpreis 1936
Aber immer nochunklar, um was für eineArt Strahlung es sicheigentlich handelt...
![Page 13: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/13.jpg)
Hauptbestandteil der kosmischen Strahlung (auf der Erdoberfläche):
(Entdeckt 1937 durch Carl David Andersonund Seth Neddermeyer.)
Geladene Myonen (+, -)
Faustregel: 1 Myon / Sekunde / Handoberfläche
Was ist ein Myon?
Myon ist schwerer Bruder des Elektrons!
Myon-Masse ~ 2000 x Elektron-Masse
Zerfällt nach 2 millionstel Sekunden in ein Elektron (und zwei Neutrinos).
![Page 14: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/14.jpg)
Spuren von Teilchen
Spuren von Teilchen
Flugzeuge in grosser Höhe können (fast) nicht gesehen werden, aberhinterlassen Kondensstreifen:
Abgase bilden Kondensationskeime, an denen der Wasserdampf der Luft kondensiert.
Spur des Flugzeugs gut sichtbar!
Auch geladene Elementarteilchen können Spuren hinterlassen!
Luftmoleküle werden ionisiert, Ionen können Kondensationskeimefür den Wasserdampf bilden.
Nebelkammer
![Page 15: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/15.jpg)
Streuexperiment von Rutherford
Streuexperiment von Rutherford
Zentrale Frage am Anfang des letzten Jahrhunderts:
Wie sind eigentlich Atome aufgebaut?
Bekannt: Elektron als Teil des Atoms
Regelmässigkeit der Kristallstruktur
Eine Vorstellung (unter vielen):
Elektronen sind wie Rosinen verteilt im Teig eines „Atomkuchens“.
Atome sind mehr oder weniger undurchlässige Objekte, die den gesamten Raum ausfüllen.
![Page 16: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/16.jpg)
1913: Ernest Rutherford schiesst-Teilchen auf sehr dünneGoldfolie.Nur sehr wenige Teilchenwerden abgelenkt, die aberdafür sehr stark.
![Page 17: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/17.jpg)
Rutherford-Experiment5 MeV -Teilchen auf Au
Streuwinkel
Gez
ählt
e T
eilc
hen
Ergebnis des Streuexperiments:
Teilchen gehen nicht ungehindert durch Goldfolie hindurch
Im Atom befindet sich hartes Streuzentrum
Atomkern
![Page 18: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/18.jpg)
Atomkern besteht aus schweren, positiv geladenen Teilchen (Protonen) und schweren, neutralen Teilchen (Neutronen).
Die sehr viel leichteren Elektronen befinden sich im leeren Raum um den Atomkern.
Leichtestes Element = Wasserstoff
Proton = Wasserstoffkern
Protonen und Neutronen werden durch sogenannte starke Kraft im Kern zusammengehalten. (viel stärker als elektromagnetische Abstoßung!)
![Page 19: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/19.jpg)
Radioaktiver Beta-Zerfall:
Atomkern zerfällt in ein Elektron und einen Atomkern mit Ordnungszahl - 1
Neutron Proton + Elektron
Prozess findet nur selten statt: Verantwortliche Kraft: „Schwache Wechselwirkung“
Allerdings Problem: Energieerhaltung ist nicht erfüllt:
Energie des Elektrons < Massendifferenz zwischen altem und neuen Atomkern x c 2
Energie scheint verloren zu gehen!
Energieerhaltung aber „heiliges Prinzip“ in der Physik...
Die schwache Wechselwirkung
Die schwache Wechselwirkung
![Page 20: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/20.jpg)
1930: Wolfgang Pauli schreibt Brief an die „Lieben Radioaktiven Damen und Herren“:
„ ... es könnten elektrisch neutrale Teilchen .... in den Kernen existieren ...“
Neues Teilchen ist praktisch masselos Neues Teilchen ist elektrisch neutral
Neutron Proton + Elektron + Neutrino
Neutrino wird zuerst nur als hypothetisches Teilchenangenommen - wie soll man es auch nachweisen??? (Leicht, elektrisch neutral, nur schwach wechselwirkend)
PostuliertesNeutrino
![Page 21: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/21.jpg)
Nachweis des Neutrinos erst viel, viel später (1959!).
Extrem schwach wechselwirkend: Können Bleiwand zwischen Sonne und Erde mit 50% Wahrscheinlichkeit durchschlagen.
Praktisch masselos.
Überall vorhanden.
Jede Sekunde durchqueren Millarden Neutrinos von der Sonne jeden Quadratzentimeter auf der Erde!
![Page 22: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/22.jpg)
Antimaterie
Antimaterie
Jedem bekannt:
In der Zukunft fliegen Raumschiffe mit einem
Aber ... :
Was ist Antimaterie eigentlich?
Gibt‘s das wirklich? Oder ist das doch nur Science Fiction?
![Page 23: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/23.jpg)
Anfang des letzten Jahrhunderts zwei ganz neue Theorien:
Spezielle Relativitätstheorie (Einstein): Physik bei sehr hohen Geschwindigkeiten. v Lichtgeschwindigkeit
Quantenmechanik (Bohr, Heisenberg, Schrödinger, ...): Physik bei sehr kleinen Abständen. d Atomdurchmesser
Elektronen: Sehr klein und sehr schnell.
Gemeinsame, kombinierte Theorie erforderlich.
Lange Suche nach solcher gemeinsamen Theorie...
Die Entdeckung der Antimaterie
Die Entdeckung der Antimaterie
![Page 24: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/24.jpg)
1927: Paul Adrien Maurice Dirac Relativistische Beschreibung der Quantenmechanikdes Elektrons.
Allerdings: Formel ist quadratische Gleichung mit zwei Lösungen.
Das Elektron wird durch die positive Lösung beschrieben.
Aber was ist mit der zweiten Lösung???
Wäre Elektron mit positiver Ladung.
Gibt es sowas überhaupt?
Oder ist die zweite Lösung nur ein nicht in der Natur vorkommendes Artefakt?
![Page 25: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/25.jpg)
Fünf Jahre später (1932):
Entdeckung des Positrons in der kosmischen Strahlung durch Carl David Anderson.
Das Positron hat genau die gleichen Eigenschaften wieein Elektron(Masse = 511 keV/c2,gleiche Signatur im Detektor)
Aber großer Unterschied:
Es ist positiv geladen!
möglicheSpur einesElektrons
MöglichesPhoto der Teilchenspur
![Page 26: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/26.jpg)
Fünf Jahre später (1932):
Entdeckung des Positrons in der kosmischen Strahlung durch Carl David Anderson.
Das Positron hat genau die gleichen Eigenschaften wieein Elektron(Masse = 511 keV/c2,gleiche Signatur im Detektor)
Aber großer Unterschied:
Es ist positiv geladen!
umgekehrte Krümmung der Spur im Magnetfeld!
tatsächliche Spureines Positrons!
TatsächlichesPhoto der Teilchenspur
![Page 27: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/27.jpg)
Was also ist nun Antimaterie?
Zu jeder Teilchensorte existiert ein Antiteilchen mit genau denselben Eigenschaften aber umgekehrten elektrischen (und sonstigen) Ladungen.
und so weiter ...
Wenn Teilchen und Antiteilchen zusammenstossen, vernichten sie sich in reine Energie ( E = m c2 ! )
Andersherum können Teilchen-Antiteilchen-Paare aus Energie (d.h. hochenergetischer Gamma-Strahlung) gewonnen werden.
Teilchen: Antiteilchen:
Elektron e- Positron e+
Proton p Antiproton p
Photon (Energie > 2 x 511 keV) Elektron + Positron
![Page 28: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/28.jpg)
Heutzutage: Antimaterie wird in Teilchenphysiklabors ständig in großen Mengen erzeugt (vor allem Positronen und Antiprotonen).
Vor kurzem: Herstellung von einigen Antiwasserstoffatomen (1995) (= Positron gebunden an Antiproton) am CERN.
Und wie war das mit den Raumschiffantrieben?
Prinzipiell möglich – Antimaterie ist konzentriertester Energieträger!
Aber wer möchte schon zusammen mit einem Block Antimaterie ins Raumschiff steigen?
![Page 29: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/29.jpg)
Hilfe! Immer mehr Teilchen!
Hilfe! Immer mehr Teilchen!
Erste Teilchenbeschleunigerwerden gebaut. Viele, viele neue Teilchen werden entdeckt.(, K, , , , , …)
“Teilchenzoo”
Die meisten Teilchen sind sehr kurzlebig und zerfallengleich wieder.
50er und 60er Jahre:
Reaktion in einerBlasenkammer
Welches Ordnungsschema steckthinter der Vielfalt der Teilchen ???
Große Frage:
![Page 30: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/30.jpg)
Die Lösung: „Quarks“
Die Lösung: „Quarks“
Alle Hadronen (= stark wechselwirkende Teilchen) sind entweder aus drei Quarks oder aus einem Quark und einem Anti-Quark aufgebaut.
Quarks haben drittelzahlige elektrische Ladungen.
Proton Neutron
u
u
du
d
d
Quarks: up up down
Ladung:
Quarks: up down down
Ladung: 031
31
32
131
32
32
3 Quarks: „Baryonen“
![Page 31: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/31.jpg)
u
Quarks: up Anti-down
Ladung: 13
1
3
2
d
positiv geladenes Pion π
Quarks: Anti-up down
Ladung: 13
1
3
2
negativ geladenes Pion π
d
u
Die geladenen Pionen zerfallen aufgrund der schwachen Wechselwirkung:
Myon + -Neutrino
Quark + Anti-Quark: „Mesonen“
Es gibt nur Mesonen und Baryonen.Freie Quarks kommen nicht vor!
![Page 32: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/32.jpg)
up (u)
charm (c)
top (t)
Ladung +2/3
down (d)
strange (s)
bottom (b)
Ladung -1/3Leicht Schwer
Quarks:
Elektron (e-)Myon (μ-)
Tauon (τ-)
Ladung -1
e-Neutrino (νe)
μ-Neutrino (νμ)
τ-Neutrino (ντ)
Ladung 0
Leptonen:
Das Standardmodell der TeilchenphysikDas Standardmodell der Teilchenphysik
Quarkmassen: m(up) ≈ 5 MeV/c2 m(top) = 175 000 MeV/c2
Leptonmassen: m(e-) = 0,5 MeV/c2 m(τ-) = 1777 MeV/c2
m(Neutrinos) ≈ 0
+ 12 Anti-Teilchen (6 Antiquarks, 6 Antileptonen)
![Page 33: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/33.jpg)
Austauschteilchen der Wechselwirkungen (Bosonen):
Masse Ladung
elektromagn. WW:
Photon (γ)
0 0
schwache WW: W+ 80,4 GeV/c2 +1
W- 80,4 GeV/c2 -1
Z0 91,2 GeV/c2 0
starke WW:8 Gluonen (g)
0 0
Elektromagn. WW: Wirkt nur auf Quarks und geladene Leptonen.
Starke WW: Wirkt nur auf Quarks.
Schwache WW: Wirkt auf alle Teilchen. Kann als einzige die Teilchensorte ändern.
![Page 34: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/34.jpg)
Methoden der heutigen Teilchenphysik
Methoden der heutigen Teilchenphysik
Wir haben schon gesehen:
Untersuchungen von kleinen Strukturen brauchen Wellen mit kleiner Wellenlänge = Teilchen mit großem Impuls/Energie. ( = h / p )
Ausserdem:
Neue Teilchen sind häufig sehr schwer.
(Masse(bottom-Quark) ≈ 6 x Masse(Proton), Masse(top-Quark) ≈ 180 x Masse(Proton) !)
Zur Erzeugung schwerer Teilchen ist viel Energie nötig.
Aufwändige Teilchenbeschleuniger notwendig!
![Page 35: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/35.jpg)
Linearbeschleuniger
Linearbeschleuniger
Einfachstes Prinzip:
Schalte viele Beschleunigungs- strecken hintereinander.
Elektrisches Feld muss zur richtigen Zeit umgepolt werden.
Linearbeschleuniger
Sehr aufwändig: Beschleunigungsstrecke für 50 GeV Energie = 5 Millionen hintereinandergeschaltete Fernsehapparate!
![Page 36: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/36.jpg)
Linearbeschleuniger
![Page 37: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/37.jpg)
Ringbeschleuniger
Ringbeschleuniger
1930 2000
9 cm 9 km
100 Millionen mal höhere Energie
Magnetfeld zwingt Teilchen auf Kreisbahn
Teilchen durchlaufen Beschleunigungs- strecken bei jedem Umlauf erneut
Hohe Energien Große Ringdurchmesser
![Page 38: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/38.jpg)
Forschungseinrichtungen
Forschungseinrichtungen
Fermi NationalAccelerator Laboratory
(FNAL), USA
Conseil Européenne pour laRecherche Nucléaire
(CERN), Genf
DeutschesElektronen-Synchrotron
(DESY), Hamburg
![Page 39: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/39.jpg)
LEP-Beschleunigeram CERN in Genf:
27 km Umfang,Elektronen-Energie: ~ 100 GeV
![Page 40: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/40.jpg)
„Urknall“ im Labor„Urknall“ im Labor
LEP-Beschleuniger (1989-2000) („Large Electron Positron Collider“): Elektronen und Positronen werden beschleunigt und zur Kollision gebracht.
Teilchen und Antiteilchen werden vernichtet und es entsteht Energie. (Photonen oder Z0-Teilchen)
Aus der Energie können neue Teilchen entstehen.
Neue Teilchen können im Detektor nachgewiesen werden.
LEP-Beschleuniger: Energien zwischen 90 und 200 GeV stehen zur Erzeugung neuer Teilchen zur Verfügung.
![Page 41: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/41.jpg)
TeilchendetektorenTeilchendetektoren
Zum Beispiel: ALEPH-Detektor am LEP-Speicherring.
![Page 42: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/42.jpg)
Experimentierhalle in 140m Tiefe Eisen/Gas-Detektor
![Page 43: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/43.jpg)
Was entsteht aus der Energie?Was entsteht aus der Energie?
Ein Computerblick in den ALEPH-Detektor.
Aus der Energie ist ein Elektron e- und ein Positron e+ entstanden
Schnitt senkrecht zur Strahlachse Schnitt entlang der Strahlachse
![Page 44: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/44.jpg)
Aus der Energie ist ein Myon - und ein Anti-Myon + entstanden
Eine andere Möglichkeit:
![Page 45: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/45.jpg)
Wo kommen die vielen Teilchen her ??
Zwei Teilchenbündel (Jets) sind entstanden
Ursache ist die
„Starke Wechselwirkung“
Aus der Energie sind Quarks entstanden.
![Page 46: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/46.jpg)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Die “starke Wechselwirkung” führt dazu, daß nicht nur ein einzelnes Quark-Paar entsteht:
![Page 47: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/47.jpg)
Die offenen Fragen
Die offenen Fragen
Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche Massen?
Gibt es noch mehr elementare Teilchen?
Können die vier Grundkräfte aus einer einzigen Kraft erklärt werden?
Wieso besteht unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie?
.... und noch vieles mehr ....
![Page 48: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/48.jpg)
Die offenen Fragen
Die offenen Fragen
Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche Massen?
Gibt es noch mehr elementare Teilchen?
Können die vier Grundkräfte aus einer einzigen Kraft erklärt werden?
Wieso besteht unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie?
.... und noch vieles mehr ....
![Page 49: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/49.jpg)
Herkunft der Massen
Herkunft der Massen
Vermutung:
Massen werden erzeugt durch Wechselwirkung mit einem Hintergrundfeld („Higgs-Feld“).
Je stärker die Kopplung ans Higgs-Feld, desto höher die Masse des Teilchens.
Zum Higgs-Feld existiert eigenes Teilchen („Higgs-Teilchen“).
Peter Higgs
(an seiner zweitenIdee arbeitend)
![Page 50: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/50.jpg)
Der Higgsmechanismus
Der Higgsmechanismus
Geschichte:
Politisches Bankett in England.Viele Diplomaten und Presseleute driftenohne viel Wechselwirkung durch den Saal.Dann betritt Maggie Thatcher den Raum.Sie ist sehr klein, trotzdem versuchen alleNäherstehenden ihr so nahe wie möglich zukommen. Dadurch bildet sich eine Traube undsie kann sich nur sehr langsam fortbewegen.
Nachdem Maggie Thatcher den Raum wiederverlassen hat, breitet sich ein Gerücht vonder Tür her durch den Saal aus. Die Weiter-gabe des Gerüchts erfolgt in einem kleinenGrüppchen mit ständig wechselndenMitgliedern, das sich langsam durch den Raum bewegt.
Physikalische Interpretation:
Der leere Raum ist angefüllt mitHintergrundfeld („Higgs-Feld“).
Das Maggie-Teilchen ist eigentlichmasselos. Es erhält aber großeMasse durch Wechselwirkungmit dem Higgs-Feld.
Das Higgs-Feld kann auch mitsich selbst wechselwirken.
Dabei entsteht ein neuesTeilchen – das Higgs-Teilchen!
Anschauliche Erklärung für den englischen Bildungsminister.
![Page 51: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/51.jpg)
Derzeit intensive Suche nach dem Higgs-Teilchen. Vermutete Masse: 120 – 200 GeV/c2
ALEPH-Detektor könnte ein mögliches Ereignis gefunden haben.
Neue Beschleuniger am Fermilab (ab 2002) und am CERN (ab 2007) werden das Higgsteilchen entweder finden oder seine Existenz ausschliessen können.
War dasein Higgs?
![Page 52: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/52.jpg)
LHC-Beschleuniger am CERN (ab 2007):
LEP-Ring wurde abgebaut, im LEP-Tunnel wird neuer Beschleunigerring LHC („Large Hadron Collider“) installiert.
Plan: Proton–Proton-Kollisionen mit einer Gesamtenergie von 14 TeV = 14 000 GeV !
GeplantesATLAS-Experimentam LHC
![Page 53: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/53.jpg)
Die offenen Fragen
Die offenen Fragen
Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche Massen?
Gibt es noch mehr elementare Teilchen?
Können die vier Grundkräfte aus einer einzigen Kraft erklärt werden?
Wieso besteht unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie?
.... und noch vieles mehr ....
![Page 54: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/54.jpg)
SupersymmetrieSupersymmetrie
Viele offene Fragen könnten durch eine eine neue Theorie erklärt werden.
„Supersymmetrie“
In diesem Fall gäbe es zu jedem der bekannten Teilchen einen supersymmetrisches Partnerteilchen.
Noch eine Verdopplung der Teilchenzahl
Wunderschöne Theorie, einziger Nachteil: Bisher wurde noch kein supersymmetrisches Teilchen gefunden!
Hoffnung: Am LHC-Beschleuniger werden supersymmetrische Teilchen gefunden.
Oder noch ganz andere.
![Page 55: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/55.jpg)
Die offenen Fragen
Die offenen Fragen
Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche Massen?
Gibt es noch mehr elementare Teilchen?
Können die vier Grundkräfte aus einer einzigen Kraft erklärt werden?
Wieso besteht unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie?
.... und noch vieles mehr ....
![Page 56: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/56.jpg)
Vereinigung der Kräfte
Vereinigung der Kräfte
Eines der Hauptziele der Physik:
Versuche die Vielzahl der beobachteten Phänomene durch möglichst wenig zugrundeliegende Prozesse zu beschreiben!
Großer Wunsch: Können beobachtete Wechselwirkungen durch eine einheitliche Kraft beschreiben werden? ( „Weltformel“)
Erster Erfolg (1866): Maxwell vereinigt Elektrizität und Magnetismus zum Elektromagnetismus.
Zweiter Erfolg (1966): Glashow, Weinberg, Salam finden gemeinsame Theorie des Elektromagnetismus und der schwachen Wechselwirkung
elektroschwache Wechselwirkung
![Page 57: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/57.jpg)
Die heutige „Weltformel“Die heutige „Weltformel“
ElektroschwacheWechselwirkung
StarkeWechselwirkung
![Page 58: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/58.jpg)
Vereinheitlichung noch lange nicht fertig:
Schlussstein der elektroschwachen Theorie fehlt noch (Higgs-Teilchen)
Zusammenführung von elektroschwacher und starker Wechselwirkung schwieriger als erwartet.
Gravitation bis jetzt aussen vor.
(Lösung wohlmöglich durch Entdeckung von Supersymmetrie.)
![Page 59: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/59.jpg)
Die offenen Fragen
Die offenen Fragen
Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche Massen?
Gibt es noch mehr elementare Teilchen?
Können die vier Grundkräfte aus einer einzigen Kraft erklärt werden?
Wieso besteht unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie?
.... und noch vieles mehr ....
![Page 60: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/60.jpg)
Materie-Antimaterie-Asymmetrie
Materie-Antimaterie-Asymmetrie
Beobachtung:
Universum scheint nur aus Materie und nicht aus Antimaterie zu bestehen.
Annahme: Beim Urknall sollte genausoviel Antimaterie wie Materie erzeugt worden sein.
Wo ist die Antimaterie geblieben ???
Teilchenphysik-Experimente: Winzige Asymmetrie (~10-6) in Zerfällen von Antiteilchen im Vergleich zu entsprechenden Teilchenzerfällen.
Unklar, ob das als Erklärung reicht.
KeineAntimaterie!
![Page 61: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/61.jpg)
Die offenen Fragen
Die offenen Fragen
Wieso haben die Teilchen so unterschiedliche Massen?
Gibt es noch mehr elementare Teilchen?
Können die vier Grundkräfte aus einer einzigen Kraft erklärt werden?
Wieso besteht unser Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie?
.... und noch vieles mehr ....
![Page 62: Vom Kristall zum Elementarbaustein Rainer Wanke Universität Mainz Eine Reise zu den kleinsten Teilchen Physik am Samstagmorgen, 20. April 2002](https://reader037.vdocuments.pub/reader037/viewer/2022102900/55204d6549795902118bae3a/html5/thumbnails/62.jpg)
“Das könnte die Entdeckung des Jahrhunderts sein. Kommt natürlich darauf an, wie weit es nach unten geht”