Wie erzeuge ich einen Mini-Urknall?

1. Wie erzeuge ich einen Mini-Urknall? Für Neugierige von 10 bis 14 Jahren

2. Vom Allergrößten zum Allerkleinsten(und zurück) Die Elementarteilchen und das Universum

3. Unsere Alltagswelt Unsere vertraute Welt Größenordnung:1 mm – 1 km Kräfte im Alltag: • Gravitation („Schwerkraft“) • Elektromagnetismus (Licht!) Die Elementarteilchen und das Universum

4. Der Nachthimmel Im Nachthimmel sehen wir viele weitere Welten Blick in die Ferne =Blick in die Vergangenheit Warum? • Licht ist nicht unendlich schnell! • Licht von fernen Objekten braucht Zeit, um zu uns zu gelangen • Wie sehen Objekte so, wie sie früher ausgesehen haben (Zeitmaschine!) Die Elementarteilchen und das Universum

5. Erde Die Sonne Mittlere Entfernung: 1,49 × 100.000.000.000 m = 1,49 × 1011 m Distanz entspricht8,3 Lichtminuten Wir sehen Sonne, wie sie vor rund 8 Minuten war (Vergangenheit) Die Elementarteilchen und das Universum

6. Alpha Centauri Nächstgelegene Sternsystem Doppelsternsystem Entfernung:4,1 × 1016 m Distanz entspricht4,3 Lichtjahre Die Elementarteilchen und das Universum

7. Andromeda-Galaxie (M31) Nachbargalaxie Typ: Spiralgalaxie Entfernung:2,4 × 1022 m 2,5 × 106 Lichtjahre Mit bloßem Auge sichtbar! 1022 m = 10.000.000.000.000.000.000.000 m Die Elementarteilchen und das Universum

8. Am Rande des sichtbaren Universums Bild zeigt die am weitesten entfernten Galaxien Entfernung:13 × 109 Lichtjahre 1,2 × 1026 m Alter des Universums:13,7 Milliarden Jahre Bild zeigt 700 Millionen Jahre junges Universum! Aber wie ist unser Universum entstanden? Die Elementarteilchen und das Universum

9. Vor 13,7 Milliarden Jahren wurde das Universum geboren! Entstehung von Materie, Raum und Zeit Am Anfang gab es eine Menge verschiedener Elementarteilchen (nicht weiter zerlegbare Teilchen) Diese Teilchen waren frei und noch nicht in Materie eingesperrt Der Urknall Diese Zeit werden wir nun nachspielen! Die Elementarteilchen und das Universum

10. u W+ g g Spielregeln I e- ne • Ich komme mit einem Kübel voller Teilchen zu euch, jeder sucht sich ein Teilchen aus • Jeder bleibt dabei ruhig an seinem Platz sitzen • Jeder sieht sich sein Teilchen gut an und versucht es sich zu merken (Buchstabe, Symbol) u d Die Elementarteilchen und das Universum

11. u W+ g g Spielregeln II e- ne • Zu Beginn waren alle Teilchen „am Leben“ und frei • Wer „am Leben“ ist, hält das Teilchen weiter in der Hand • Teilchen können aber „aussterben“ • Wer „stirbt“, gibt das „ausgestorbene“ Teilchen zurück in den Kübel Nicht vergessen, die Teilchen sind nur ausgeborgt! u d Die Elementarteilchen und das Universum

12. g g Der Urknall und die Elementarteilchen e- Zu Beginn war Universum extrem heiß und extrem dicht Dadurch entstanden eine Menge verschiedenster Elementarteilchen Diese Teilchen flogen wild umher und bewegten sich frei ne u d 1027 °C = 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000 °C Die Elementarteilchen und das Universum

13. g g Der Urknall und die Elementarteilchen e- Universum dehnt sich aus und kühlt sich dabei ab Je kälter es wird, desto langsamer bewegen sich die Teilchen Für manche Teilchen ist es bereits zu kalt, sie „sterben aus“! ne u d 1025 °C = 10.000.000.000.000.000.000.000.000 °C Die Elementarteilchen und das Universum

14. Die Elementarteilchen verschwinden … Als erstes „stirbt“ das schwere Higgs-Teilchen aus (wir Physiker glauben fest daran, daß es das Teilchen gibt!) H Wer dieser Teilchen hat, muss es nun in den Kübel zurückgeben! 1016 °C = 10.000.000.000.000.000 °C Die Elementarteilchen und das Universum

15. b t nt Die Elementarteilchen verschwinden … t t t t- Weiters „sterben“ nun die folgenden Teilchen aus: • das „t“ Quark • das „b“ Quark • das „τ“ Lepton • das „τ“ Neutrino Es verschwinden dabei auch die jeweiligen Antiteilchen!(die mit den Strich/Plus) Antiteilchen = „Zwillingsbruder“ eines Teilchens b t t b t+ b b b nt 1015 °C = 1.000.000.000.000.000 °C Die Elementarteilchen und das Universum

16. s c nm Die Elementarteilchen verschwinden … c c c m- Nun „sterben“ noch diese Teilchen aus: • das „c“ Quark • das „s“ Quark • das „μ“ Lepton • das „μ“ Neutrino Es verschwinden wie immer dabei auch die jeweiligen Antiteilchen! s c c s m+ s s s nm 1014 °C = 100.000.000.000.000 °C Die Elementarteilchen und das Universum

17. u d ne Die Elementarteilchen verschwinden … Ganz zum Schluß verschwinden noch die restlichen Antiteilchen: • das „u“ Anti-Quark • das „d“ Anti-Quark • das „e“ Anti-Lepton • das „e“ Anti-Neutrino Wann ist das alles passiert? Wie lang hat all dies gedauert? Alles geschah in allererster Sekunde nach dem Urknall! Welche Teilchen sind nun übrig? Haltet die Teilchen mal hoch! u d u d e+ 1011 °C = 100.000.000.000 °C Die Elementarteilchen und das Universum

18. g W+ Z0 g g W- Die restlichen Elementarteilchen u u u Materieteilchen: • „up“ und „down“ Quarks in allen Farben • Elektron e- • Elektron-Neutrino ne Kraftteilchen: • Photon („Lichtteilchen”) g • W- und Z-Teilchen • 8 farbige Gluonen („Klebeteilchen“) Elementarteilchen, kommt zu mir nach vorne! d d d e- ne Die Elementarteilchen und das Universum

19. g g g g g g g g Die restlichen Elementarteilchen Mit diesen Teilchen bauen wir nun unsere alltägliche Welt auf! Dazu brauchen wir zuerst: • „up“ und „down“ Quarks • Elektron e- • Photon g • Gluonen Die anderen Teilchen brauchen wir später! u u d e- Die Elementarteilchen und das Universum

20. g g g g g g g Das Proton Wichtigster Teil eines Atomkerns Besteht aus zwei „up“ & einem „down“ Quark Wichtig!Farbe rot, grün & blau muß jeweils einmal vorkommen! Damit Quarks zusammenbleiben braucht man „starke Kraft“ (Kernkraft) viafarbigen Gluonen P+ u u d rot + grün + blau = weiß(Regenbogen!) Die Elementarteilchen und das Universum

21. g Das Wasserstoffatom e- Austausch eines Photons P+ Gebundener Zustand dank Elektromagnetismus Gebt nun Teilchen des Atoms in den Kübel und setzt euch wieder hin! Die Elementarteilchen und das Universum

22. < 10-18 m 10-14 m 10-10 m Größe eines Atoms 10-14 m e- P+ 10-10 m = 0,0000000001 m Die Elementarteilchen und das Universum

23. Das Periodensystem der Elemente Alle anderen Elemente entstehen durch Einbau von weiteren Teilchen im Atomkern und Elektronen in der Atomhülle Entstanden im frühen Universum, in den Sternen und bei Supernovas All diese Elemente bauen unser Universum auf! Aber was ist mit den übrig gebliebenen Elementarteilchen? Die Elementarteilchen und das Universum

24. W+ Z0 W- Die „schwache Kraft“ Restliche Elementarteilchen • Elektron-Neutrino • W- und Z-Teilchen kommen nicht in den Atomen vor! Dennoch sehr wichtig z.Bsp. für Kernfusion in der Sonne (dadurch brennt sie überhaupt!) ne Gebt Teilchen zurück in den Kübel und setzt euch wieder hin! Die Elementarteilchen und das Universum

25. u s t ne nt nm d c b Das Standardmodell der Elementarteilchen Materie Antimaterie u c t s d b ne nm nt e- m- t+ t- m+ e+ Müonen existieren dennoch auch heute noch für sehr kurze Zeit in der kosmischen Höhenstrahlung! Sie werden in der Funkenkammer sichtbar gemacht! 3. Gen. 3. Gen. 1. Gen. 2. Gen. 1. Gen. 2. Gen. Die Elementarteilchen und das Universum

26. g g g g W+ g g g g Z0 g g g g W- Kräfte Schwache Kraft W- u. Z-Teilchen Starke Kraft Gluonen Elektromagnetische Kraft Photon Extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften!(Muskelkraft vs Schwerkraft der Erde) Gravitation? Die Elementarteilchen und das Universum

27. Mit Lichtgeschwindigkeit zurück zu unserer Alltagswelt Elemente (=Atome) verbinden sich zu Molekülen Moleküle sind die Bestandteile von Zellen Zellen bauen alles Lebende auf: • Pflanzen • Tiere • Menschen! Die Elementarteilchen und das Universum

28. Wie kann man Elementarteilchen erforschen? … mit dem Mikroskop? NEIN • Auflösung des Mikroskops viel zu gering! • Außerdem: die interessanten Elementarteilchen sind ja „ausgestorben“! … mit einem Teilchenbeschleuniger? JA • Dadurch kann man Teilchen wieder „zum Leben erwecken“ und • genauestens studieren! Die Elementarteilchen und das Universum

29. Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Geladene Teilchen (z.Bsp. Protonen) werden auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt Dadurch erhalten Teilchen extrem hohe Energien Die Elementarteilchen und das Universum

30. t nt b Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? H Bringt man diese Teilchen frontal zur Kollision, geben sie ihre Energie wieder frei Es entstehen kurzfristig wieder extrem heiße Zustände wie kurz nach dem Urknall(„Mini-Urknall“) Dadurch entstehen wieder Elementarteilchen, welche zuvor „ausgestorben“ sind! b t b H t t- H t t+ nt Die Elementarteilchen und das Universum

31. Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger? Dunkle Materie?SUSY Teilchen?… Es entstehen sogar neue, noch ganz unbekannte Teilchen! Durch neue Teilchen erfahren wir mehr über den Aufbau unseres Universums! Diese neuen Teilchen kann man in riesigen Detektoren untersuchen … ? Die Elementarteilchen und das Universum

32. Der Large Hadron Collider Die Elementarteilchen und das Universum

33. Die Elementarteilchen und das Universum