Teilchenphysik Masterclasses Das Leben, das Universum und der ganze Rest
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Teil 1: Einführung Warum Teilchenphysik?
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Fundamentale Fragen Wie?
Wer?
Wieviel? Was?
Wann?
Wo?
Warum? 3
Warum Teilchenphysik? • •
Interesse und Neugier!
•
Anwendungen:
Erkenntnisgewinn über Geschichte, Funktionsweise und Aufbau des Universums
• • •
World Wide Web Medizin: Tumortherapie, PET Weiterentwicklung von Technologien für Computerchips, Detektoren, Magnete uvm.
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Warum Teilchenphysik?
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Wie forschen Teilchenphysiker? •
Medizin: Krankheitserreger verursachen beobachtbare Symptome
•
Teilchenphysik: Interaktion von Teilchen nicht direkt beobachtbar, nur sog. Endzustände
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Wie forschen Teilchenphysiker? • •
Medizin: teure, hochkomplexe Maschinen Teilchenphysik: teure, hochkomplexe Maschinen
$1.5 Millionen
$450 Millionen 7
Wie forschen Teilchenphysiker? p
?
p
Beschleuniger
Theorie
Detektor
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Teil 2: Theoretisches Wie Physiker sich die Welt vorstellen
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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
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Bausteine der Materie
•
alle stabile Materie ist aufgebaut aus Elektronen und Up und Down Quarks 11
Bausteine der Materie
Bausteine aller stabilen Materie
schwerere Kopien der ersten Generation, instabil
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Elementarteilchen • • •
haben keine Ausdehnung (punktförmig) haben Eigenschaften: Masse, Ladung, Spin... jedes geladene Teilchen hat ein entgegengesetzt geladenes Anti-Teilchen (mit der gleichen Masse)
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Was ist Teilchenphysik? •
Lehre von den fundamentalen Bausteinen der Natur und ihren Wechselwirkungen.
Gravitation
Elektromagnetismus
schwache Kraft
starke Kraft 14
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 • •
Jemand telefoniert mit dem Handy
•
Viele Atomkerne sind stabil, obwohl sich die Protonen untereinander abstoßen
• • • •
Eine Kompassnadel richtet sich nach Norden aus
Ein Atomkern wandelt sich durch Betazerfall in einen anderen um
Zwei Atome gehen eine chemische Verbindung ein Ein Glas fällt vom Tisch Zwei Up-Quarks und ein Down-Quark bilden ein Proton 16
Wechselwirkungen, wie? •
durch Austauschteilchen
•
Quarks und Leptonen “kommunizieren” untereinander indem sie Austauschteilchen aussenden/einfangen 17
Wechselwirkungen, wer?
Graviton? 18
Betazerfall aus Physikersicht
Neutron
Proton
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Wer wechselwirkt wie?
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Warum braucht es das Higgs? •
Massen der Elementarteilchen im Standardmodell nicht einführbar ohne Theorie zu zerstören
•
Idee: Alle Teilchen bewegen sich durch ein neu eingeführtes Feld (Higgs-Feld) -> erhalten so Masse
•
Anregungen des Feldes sind die Higgs-Teilchen
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Ende Teil 1
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Teil 2: Wie findet man das Higgs?
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Wie findet man das Higgs? •
Man benötigt einen Teilchenbeschleuniger und einen Detektor!
ATLAS
LHC
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LHC - Large Hadron Collider • 27 km langer Tunnel • ca. 100m tief gelegen • supraleitende Magnete
halten Protonen auf Bahn
• •
Protonen kreisen mit 4 TeV Energie
•
sehr sehr energiereich
Tests bei 450 GeV : Strahl durchschlägt 100 2mm Zinkplatten
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Large Hadron Collider •
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)
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Wonach halten wir Ausschau?
• •
Theorie sagt mögliche Reaktionen voraus Hier:
• •
2 Gluonen fusionieren zu einem Higgs-Teilchen Higgs-Teilchen zerfällt in 2 W-Bosonen 27
Wie findet man W-Bosonen? •
man sucht nach Zerfallsprodukten, die man in Detektoren beobachten kann
gut geeignet
schlecht geeignet 28
ATLAS Detektor
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ATLAS Detektor Spurdetektor: misst Spuren und Impulse geladener Teilchen
Elektromagn. Kalorimeter: misst Energie von Elektronen, Positronen und Photonen
Myonspektrometer: misst Impuls und Spuren von Myonen
Hadronisches Kalorimeter: misst die Energie von aus Quarks bestehend Teilchen (Hadronen) 30
MINERVA
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Teilchenerkennung •
Wo wird Signal hinterlassen?
• •
Was ist die Ladung? Wie hoch ist der Impuls/die Energie?
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Teilchenerkennung: Elektronen • • •
Spur im inneren Detektor Eintrag im el. Kalorimeter Photonen: Wie Elektronen aber keine Spur
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Teilchenerkennung: Myonen • • •
Spur im inneren Detektor Spur im Myonspektrometer Einträge in den Kalorimetern
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Teilchenerkennung: Quarks •
Bündel an Spuren (geladene Hadronen)
•
Einträge in beiden Kalorimetern
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Teilchenerkennung: Neutrinos • • •
Neutrinos nicht direkt beobachtbar Ersatzgröße: Fehlender transversaler Impuls (MET) berechnet aus Impulsen der anderen Teilchen im Detektor
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Variablen: Transversaler Impuls •
wissen nicht, welchen Impuls die kollidierenden Teilchen genau haben
•
verwenden deshalb nur den Teil senkrecht zum Strahl (transversal)
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Steckbrief Higgs-Ereignisse
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Aktiv werden! • • • •
Minerva starten: Minerva.jar Übung 1: http://atlas.physicsmasterclasses.org/de/wpath_lhcphysics3.htm Übung 2: http://atlas.physicsmasterclasses.org/de/wpath_exercise2.htm Jedes Team erhält Datenpaket mit Ereignisbilder
• • •
User: PW: Strichliste für Signalereignisse führen
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Externe Bildnachweise Folie 6: www.HDWallpaperBank.com (FOX) Folie 7: wikipedia.de, FOX, CERN Folie 8: CERN
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