highheels@highend wien , 13. okt . 2011
DESCRIPTION
WIMPS, MACHOS, CHARM und STRINGS. Claudia-Elisabeth Wulz I nstitut für Hochenergiephysik der ÖAW c/o CERN, Genf. HighHeels@HighEnd Wien , 13. Okt . 2011. Vorstellung. Teilchenphysikerin am CERN bei Genf - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
HighHeels@HighEndWien, 13. Okt. 2011
Claudia-Elisabeth WulzInstitut für Hochenergiephysik der ÖAW c/o CERN, Genf
WIMPS, MACHOS, CHARM und STRINGS
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
C.-E. Wulz 2
Teilchenphysikerin
• am CERN bei Genf
• angestellt beim Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften
• Dozentin an der
Technischen Universität Wien
Vorstellung
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Wie und wann ist das Universum entstanden? Wie wird es sich weiter entwickeln?
Woraus besteht es?Welche Kräfte wirken zwischen seinen Bestandteilen?
Zusammenhang zwischen Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie ->ASTROTEILCHENPHYSIK
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Einige konkrete offene Fragen
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 4
• Warum hat das Universum Substanz? -> Higgs-Teilchen
• Woraus besteht das Universum? -> Wir kennen nur 4% (Quarks, Leptonen), Rest ist dunkle Materie und dunkle Energie.
• Wie muss das Standardmodell der Teilchenphysik erweitert werden? -> Supersymmetrie, Stringtheorie?
• Gibt es zusätzliche Raumdimensionen? -> Gravitation
• Können alle Kräfte vereint werden -> gibt es eine “Weltformel”?
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 5
Teilchenbeschleunigerz.B. LHC, RHIC, KEK-B
Undergrundlaboratorien und -experimentez.B. Gran Sasso, Kamiokande, IceCube
Raumsondenz.B. FERMI, Hubble, Planck
Terrestrische Teleskopez.B. ALMA, VLT
Experimente an Kernreaktoren oder mit radioaktiven Quellenz.B. KamLAND, Double-CHOOZ,Katrin, Atominstitut
KamLAND
Anlagen zur Beantwortung dieser Fragen
Experimente mit kosmischen Strahlenz.B. Auger
Gran Sasso
Auger
Hubble
Very Large Telescope (VLT)
LHC
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Bausteine der Materie• Die bekannte
Materie besteht aus ATOMEN
• Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen
• Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks
• Protonen und Neutronen gehören zu den Hadronen
Protonen
Neutronen
Elektronen
C.-E. Wulz 6
QuarksLepton
uud = Protonudd = Neutron
Bausteine für alles Bekannte z.B. Menschen, Planeten, …
up
down Elektro
n
C.-E. Wulz7
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Vor 13.7 Milliarden Jahren gab es mehr Teilchen im Universum als jetzt …
up
down
charm
strange
top
bottom
Elektron Müon Tau
Elektron-Neutrino
Müon-Neutrino Tau-Neutrino
Quarks Leptonen
C.-E. Wulz8
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
In einem Beschleuniger wie dem LHC können all diese Teilchen neu erzeugt werden.
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 9
Proton Antiproton
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Abgeschaltet Ende Sep. 2011, Entdeckung des Top-Quarks 1995
Tevatron
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 10 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Entdeckung des Charm-Quarks
Mark-II DetektorStanford, Kalifornien
BurtonRichter
Samuel Ting, Brookhaven, NY
1976J/psi (cc)
_
Quarks
Leptonen
Kräfte
StandardmodellHighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 11
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Die fundamentalen Kräfte
KRAFT RELATIVE STÄRKE
REICHWEITE VERMITTLER
Stark 1 10-15 m Gluonen
Schwach 10-6 10-18 m W, Z
Elektromagnetisch 10-2 unendlich Photon
Schwerkraft 10-38 unendlich Graviton
C.-E. Wulz 12
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
• Ohne Higgs-Mechanismus wären alle Teilchen des Standardmodells masselos.
• Masse entsteht erst durch die Wechselwirkung mit einem (hypothetischen) Higgs-Feld.
• Das gesamte Universum ist von diesem Higgs-Feld durchdrungen.
• „Schwingungen“ in diesem Higgs-Feld erscheinen als Higgs-Teilchen, dessen Nachweis am LHC / CERN gelingen soll. Die Masse des Higgs-Teilchens ist a priori nicht bekannt, aber alles deutet darauf hin, dass es relativ leicht ist.
Erzeugung von Masse durch Higgs-Mechanismus
C.-E. Wulz 13
• Eine eventuelle Nichtexistenz des Higgs-Teilchen kann vermutlich noch heuer bestätigt werden.
• Eine gesicherte Entdeckung sollte 2012/2013 möglich sein.
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
LHC und die Experimente
C.-E. Wulz 14 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 15
CMS-Experiment
15 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Sep. 2011C.-E. Wulz 16
H -> eemm candidate
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 17
(Prof. Peter) Higgs im ATLAS-Experiment
C.-E. Wulz 17 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Ein Vergleich der Rotationsgeschwindigkeiten von Sternen nahe dem Zentrum von Spiralgalaxien und weiter außen liegenden Sternen ergibt, daß die Geschwindigkeiten weiter außen nicht mit den Gesetzen der Mechanik kompatibel sind.
Dunkle Materie
C.-E. Wulz 18C.-E. Wulz 18 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Auch müssten aufgrund der hohen Temperatur viele Sterne auseinander fallen, wenn nicht zu-sätzlich zur sichtbaren Masse noch Masse aus dunkler Materie vorhan-den wäre.
Vera Rubin
FritzZwicky
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 19C.-E. Wulz 19 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Kollision der zwei Galaxien im Bullet Cluster (2006)
Die normale Materie (rot) wird abgebremst, während die dunkle Materie (blau, sichtbar gemacht) sich ungehindert weiterbewegt.
Erster direkter Nachweis der dunklen Materie
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
WIMPS (weakly interacting massive particles, MACHOS (massive astrophysical compact halo objects), … ?
C.-E. Wulz 20
Was ist die dunkle Materie ?
… Verbindung von Astrophysik und Teilchenphysik!
Supersymmetrie sagt ein Teilchen voraus, das ein WIMP sein könnte: das leichteste Neutralino
MACHOS sind astronomische Objekte aus normaler (baryonischer) Materie wie:Braune und weiße Zwerge (z.B. Supernovae Ia)Neutronensterne (Kollaps nach Supernova-Explosion)Schwarze Löcher HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 21
Suche nach WIMPSSuche nach Neutralinos (ATLAS, CMS am LHC)
Streuung von WIMPS an Atomkernen (Experimente Edelweiss, CDMS, DAMA, …)
Neutrinos sind nach heutigem Wissen nicht Bestandteil der dunklen Materie, obwohl sie nicht masselos sind.
Germanium-Detektor
ATLAS
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Beobachtungen von Supernovae ergaben, daß eine mysteriöse Kraft -dunkle Energie - das Universum immer schneller auseinander treibt!
Relative Entfernungentferntnahe
Rel
ativ
e Li
chtin
tens
ität
nie
drig
ho
ch
BeschleunigteAusdehnung
GebremsteAusdehnung
Supernova 1987A
Spektrallinien der Sonne
Spektrallinien einerentfernten Galaxie
Rotverschiebung
C.-E. Wulz 22
2011
Entdeckung der dunklen Energie (1998)Saul Perlmutter, Brian Schmidt, Adam Riess
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Entwicklung des Universums
C.-E. Wulz 23
URKNALL
G
RÖ
SZ
E D
ES
UN
IVER
SU
MS
ZEIT
HEUTE (13,7 Milliarden Jahre) ZUKUNFT
KONSTANTEDUNKLE ENERGIE
ENDKNALL
KOLLAPS
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 24
Quantentheorie
Die Teilchenphysik folgt den Gesetzen der Quantentheorie.
Klassisches Bild: Elektronen bewegen sich auf festen Bahnen um den Atomkern
Quantentheoretisches Bild: Elektronen haben bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeiten
Jedoch: Die Gravitation passt nicht in die quantenmechanische Welt!
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011C.-E. Wulz 25
Stringtheorie
Elektron Up-Quark Higgs Photon Graviton
Die Stringtheorie vereint alle Teilchen und alle Kräfte (auch die Gravitation) in einem einzigen Objekttyp, dem String. Wie Saiten können Strings verschieden vibrieren.
Kurz nach dem Urknall war die Materie auf kleinstem Raum vereint und die Kräfte waren alle gleich. Stringtheorie ist nötig, wenn wir wissen wollen, was bei ca. 10-42 s nach dem Urknall geschah.
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Unser bekanntes Universum: 3 Raumdimensionen + 1 ZeitdimensionStringtheorie: mindestens 9 + 1 Dimensionen
2. Dimension: aufgerollt
Seiltänzer: 1 Dimension
Ameise: 2 Dimensionen
C.-E. Wulz 26
Extradimensionen
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Extra-Dimension
Gravitation
unser 3+1-dimensionalesUniversumGravitation
Gravitation scheint 10-38 mal so schwach im Vergleich zur starken Wechselwirkung -> schwer vereinbar mit anderen Kräften!Mögliches Modell: • Bekannte Teilchen leben im 3+1-dimensionalen
Universum (Brane)• Gravitation lebt in einem höherdimensionalen
Universum (Bulk)• Extra-Dimensionen sind aufgerollt mit Radius R
C.-E. Wulz 27
Gravitation und Extradimensionen
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Wenn die Gravitation bei kleinen Distanzen stark wird, kann der LHC auch (Mini-) Schwarze Löcher (Ø 10-18m) produzieren!
Sie sollten jedoch durch quantenmechanische Effekte sehr schnell (~10-35s) verdampfen (Hawking-Strahlung), unter Erzeugung aller möglichen Standardmodellteilchen.Bisher wurden jedoch keine Schwarzen Löcher gefunden.
Schwarze Löcher
C.-E. Wulz 28 HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
HighHeels@HighEnd, Okt. 2011
Zusammenfassung
In den letzten Jahrzehnten wurde das Verständnis der Physik entscheidend verbessert.
Jedoch …. viele Antworten auf fundamentale Fragen fehlen noch!
Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie müssen gemeinsam zu ihrer Beantwortung beitragen.
Der Large Hadron Collider ist ein wichtiges Werkzeug. Die “Entdeckungsphase” hat bereits begonnen.
C.-E. Wulz 29