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Elementar und Unteilbar? Revolutionen der Teilchenphysik

Elementar und Unteilbar? Revolutionen der Teilchenphysik. Peter Schleper. Hamburg, 3.2.2004. Revolutionen jenseits von Feuer Erde Wasser Luft …. Erklaerung makroskopischer Effekte. Materie und Antimaterie Relativitaet und Quantentheorie. DIRAC 1928 :. Einstein 1905:.

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Elementar und Unteilbar? Revolutionen der Teilchenphysik

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Presentation Transcript

  1. Elementar und Unteilbar?Revolutionen der Teilchenphysik Peter Schleper Hamburg, 3.2.2004

  2. Revolutionen jenseits von Feuer Erde Wasser Luft … Erklaerung makroskopischer Effekte

  3. Materie und Antimaterie Relativitaet und Quantentheorie DIRAC 1928 : Einstein 1905: • Masse ist eine Form von Energie • Aus Energie kann neue Masse • entstehen Quantentheorie: Teilchen  Wellen-Gleichungen Elektron hat Spin ½: zwei Freiheitsgrade Relativistische Quantentheorie: Loesung nur fuer 4 Freiheitsgrade E2 = m2c4 + P2 c2 E = + (m2c4 + P2 c2)1/2 _ Zwei Loesungen: Elektron + ??? Anti-Elektron

  4. Vorhersagen Symmetrie der Natur: Lorentztransformationen lassen die Natur (physikalische Experimente) unveraendert neue mathematische Struktur der Physik: Dirac Gleichung erlaubt nur eine (wenige) Loesungen: Dirac: 2 Loesungen mit 4 Freiheitsgraden Vorhersage neuer Natur-Phaenomene: Teilchen und Antiteilchen mit Spin 1/2 Theorem von Noether: Aus Symmetrie folgt Erhaltungsgroesse (z.B.: Energie und Impulserhaltung) • Rel. QM  Antimaterie • Eich-Symmetrie  Kraefte und Teilchen • Spin-Symmetrie  Super-Teilchen

  5. Antimaterie: Entdeckung Hoehenstrahlung: Teilchen aus dem Kosmos Nachweis durch Ionisation in Nebelkammer (Kondensation) 1933: e+ e- e+ E: Energie aus Reichweite und Ionisation: ~20 MeV P: Impuls und Ladung aus Kruemmung im B-Feld Masse wie Elektron, aber Ladung positiv Anti-Elektron = Positron g e+e- E2 = m2c4 + P2 c2 E = 1 eV typisch fuer chemische Bindung

  6. Antimaterie II Hoehenstrahlung Photo einer Teilchenreaktion

  7. Teilchen-Erzeugung Neutrino-Strahl

  8. Beschleuniger • Erzeugung von Teilchen und Antiteilchen • Hoehere Energie: • Aufloesungsvermoegen • Entdeckungen neuer, schwerer Teilchen In Hamburg: HERA: 300 x 109 eV In Genf: LEP: 200 x 109 eV LHC: 14000 x 109 eV Aufloesungsvermoegen: 10-19m

  9. LHC: der Large Hadron Collider • CERN: Europaeisches Zentrum fuerTeilchenphysik in Genf • Proton-Proton Kollisionen bei 14000 GeV • Faktor 1000 mehr Kollisionen als bisher Start: 2007

  10. Moderne Detektoren Teil eines Si-Wafers Praezision durch Halbleiter-Technologie Diode in Sperrichtung: Strom nur bei Ionisation durch Teilchen • Aufloesung (Ort): 10 mm • Impulsmessung im Magnetfeld: bis ca 1012 eV Teilchen-Rekonstruktion

  11. CMS: das Compact Muon Solenoid Experiment bei LHC • 50 x 106 elektronische Kanaele • 8 Peta-Byte Daten pro Jahr

  12. CMS Detektor Im Vergleich: ZEUS

  13. Das Standard Modell:Teilchen und Kraefte Materie-Teilchen: 1. Generation Entdeckungen 2. Generation: Muon, Strange Quark Vorhersage: Neutrino,Charm 3. Generation: Tau, Bottom Vorhersage: Neutrino, Top …wegen Symmetrie zur 1.Generation • Naturkraefte: • Elektromagnetismus • Schwache Kraft • Starke Kraft • Gravitation ???

  14. Grundbausteine der Natur Austauschteilchen Materieteilchen Warum diese Teilchen ? Warum diese Massen ? Higgs Teilchen !? Warum Unterschied fuer Fermionen und Bosonen ? Supersymmetrie !?

  15. Eich-Theorie Quantenm. Spez. Relativit. Quantenfeldtheorie Eichsymmetrien Herleitung der Naturkraefte elektromagn., starke, schwache Kraft • Quantentheorie: • Teilchen folgen Wellengleichungen • Nur Betrag der Wellen ist beobachtbar: • Phase der Welle ist beliebig: •  Y ei a laesst Experiment unveraendert Symmetrie der Natur: • Erhaltung der Elektr. Ladung • g, Z,W,g haben Spin 1 • Form der Kraefte • Alle Teilchen in kompletten Generationen • Vorhersage Charm, Top, Neutrinos • Es muss ein Higgs Teilchen geben • Higgs wechselwirkt mit Masse • Quantenkorreturen • Selbstwechselwirkung von Z,W,g,H Theorem: Nur Eichtheorien liefern physikalisch sinnvolle Resultate

  16. HERA: Starke Kraft im Proton ZEUS

  17. HERA Starke Wechselwirkung sagt Quark-Gluon Wechselwirkung korrekt vorraus Quark und Gluon Dichte: Quantenphysik im Proton

  18. Das Standard-Modell mit Higgs LEP: e+e-  …. Praezisionstest der Teilchenphysik Alle Experimente stimmen mit dem Standard Modell ueberein !! …falls das Higgs existiert und MH < 200 GeV Z0 W+W- Z0 Z0 Sonst: Widerspruch Alternativen ????

  19. Higgs bei LHC Higgs Entdeckung unvermeidbar (falls es existiert) Gluonen aus Protonen: gg  H

  20. Das Standard-Modell 19 Teilchen, 26 freie Naturkonstanten Ist das ALLES ? Bauprinzip ? Vereinfachungen ? Vereinheitlichungen ?

  21. Theorien der Physik Energie, Temperatur, -Zeit

  22. Extrapolation der Naturgesetze Kosmologie und Teilchen

  23. Spin Standardteilchen Superpartner Spin 1/2 Leptonen (e, ne, …) Quarks (u, d, …) Sleptonen (e, ne, …) Squarks (u, d, …) 0 ~ ~ ~ ~ 1 Gluonen W Z0 Photon (g) Gluinos Wino Zino Photino ( g ) 1/2 ~ 0 Higgs Higgsino 1/2 2 Graviton Gravitino 3/2 Supersymmetrie Symmetrie zwischen Fermionen (Sin 1 /2, 3/2) und Bosonen (Spin 0, 1, 2) Jedes Teilchen bekommt ein Partnerteilchen Photino kann nicht zerfallen ! Eich-Wechselwirkungen bleiben

  24. Hinweise auf Supersymmetrie: Kopplungen Quantenkorrekturen beeinflussen Natur”Konstanten” Standard-Modell: keine Vereinheitlichung Supersymmetrie: Vereinheitlichung

  25. Abweichung von Keppler Gesetzen oder Neue Form unsichtbarer Materie: “ Dark Matter “ im HALO Hinweise auf SupersymmetryDunkle Materie im Kosmos Gravitation ~ 1/r2 Rotationskurven (Keppler) Galaxie NGC6503 Sonnensystem

  26. Dunkle Energie (Kosmologische Konstante) Normale Materie (davon nur ca. 10% leuchtend) Neutrinos min. 0.1% max. 6% Dunkle Materie Dunkle Materie im Kosmos Aus Beobachtung weit entfernter Supernova Expolsionen Kosmologische Dichte Unbekannte Form der Materie: Photino ???

  27. Supersymmetrie am LHC Simulation Supersymmetrischer Ereignisse bei LHC Supersymmetrie kann mit grosser Wahrscheinlichkeit gefunden werden

  28. Stand der Physik Ein Zitat: …it seems probable that most of the grand underlying principles of Physical Science have been firmly established and that further advances are to be sought chiefly in the rigorous applications of these principles to all the phenomena which come under our notice. … An eminent physicist has remarked that the future truths of Physical Science are to be looked for in the sixth place of decimals. Aus: Physics Curriculum Uni. Chicago, 1898-99 Kurz danach: Roentgen Strahlung, Entdeckung des Elektrons, Atom = Kern+Huelle, Relativitaetstheorie, Quantenmechanik Bald: Higgs, SUSY

  29. Experimenteller Urknall Higgs Supersymmetry Extra Dimensionen Schwarze Loecher

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