Post on 06-Apr-2015
transcript
1
Überblick (1)
Was sind Elementarteilchen ? Die ersten Teilchen
historischer Überblick Einige Formeln
Dirac-Gleichung Relativistische Kinematik gebräuchliche Einheiten in der Teilchenphysik
Das Standardmodell Detektoren Beschleuniger
2
Überblick (2)
experimentelle Bausteine des Standardmodells das magnetische Moment der Leptonen Teilchenphysik und Kosmologie fundamentale Symmetrien und deren Verletzung
Paritätsverletzung CP-Verletzung
weitere Teilchen charm: J/ψ beauty (bottom): Υ (“upsilon”) τ Eichbosonen der elektroschwachen Wechselwirkung: W und Z top
Neutrino-Oszillationen jenseits des Standardmodells
wie geht es weiter? Higgs - das fehlende Glied Supersymmetrie Gravitationswellen
3
1897
Das Elektrone-
ThomsonThomson
4
1897
Das Proton
e-
1900-1924
1914
RutherfordRutherford
p
5
6
7
1897
Das Photon
1900-1924
PlanckPlanck EinsteinEinstein
ComptonCompton
e-
p
8
1897
Das Neutron
e-
1900-1924
1914
np
1932
ChadwickChadwick
9
1897
Das Positron (Antimaterie)
e-
1900-1924
1914
e+
p
1932
n
1937
1947
Anderson Anderson
Dirac Dirac
10
11
12
1897
Das Myon
e-
1900-1924
1914
µp
1932
n
1937
• Hess• Anderson, Neddermeyer
e+
13
+
-e-
1V
1GeV = 1‘000‘000‘000 eV
Das Elektronenvolt (eV)
2mcÅ =
Einheiten
14
1897
Das Pion
e-
1900-1924
1914
p
1932
n
1937
µ
1947
Powell Powell Yukawa Yukawa
e+
15
1897
Das Neutrino
e-
1900-1924
1914
p
1932
n
1937
µ
1947
e+
Pauli Pauli Reines Reines
16
17
1897
Seltsame Teilchen
e-
1900-1924
1914
KKp
1932
n
1937
µ
1947
e+
Rochester,Butler,...
1947-...
18
1897
„I have heard it said that the finderof a new elementary particle usedto be rewarded by a Nobel Prize,but such a discovery now ought tobe punished by a $10,000 fine.“
e-
1900-1924
1914
K
p
1932
n
1937
µ
1947
e+
1947-...
Willis Lamb drückte in seinerNobelpreis-Ansprache1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus:
LambLamb
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Lebensdauer (s)
n
c
KL
D
Kc
KS
0
B
J1s 2s
3s
4s
D*
c
0
Masse (GeV/c2)
Der Teilchenzoo
1s
1 ms
1 µs
10-15s
10-20s
10-25s
100000
n
KL
D
Kc
KS
0
B
J1s 2s
3s
4s
D*
c
0
E=1eV
e-
W±, Zo
p
1 ns
20
Fermionen (Spin ½)
Ladung
0
-1
+2/3
-1/3
d
uu
du
d
Leptonen Quarks
Das Standardmodell
+1 0 Proton Neutron
Baryonen
Wechselwirkungen
stark
schwach
Schwerkraft?
Schwache KraftW, Z
Elektromagn. Kraft
Starke Kraftg
Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)
e
e
u c t
d s b
21
d
u
s
c
b
t
e
e
Anti-Teilchen
Wechselwirkungenstark
schwach
e
Ladung
0
+1
-2/3
+1/3
Schwerkraft?
Schwache KraftW, Z
Elektromagn. Kraft
Starke Kraftge
d
u
s
c
b
t
Leptonen Quarks
Kräfteteilchen: Bosonen (Spin 1)
22
23
24
Experimentaufbau für tief-inelastische Elektron-Proton-Streuung(aus dem Nobelpreis-Vortrag von Robert Hofstadter, 1961)
25
Farbladung
(color)
Farbe Antifarbe
ROT TÜRKIS
BLAU GELB
GRÜN LILA
Quarks haben neben der elektrischen Ladung auch noch eine „Farbladung“. Das Kräfteteilchen wird Gluon genannt. Es ist für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich.
26
Quarks können nicht einzeln beobachtet werden (Quark-Confinement). Sie treten immer nur in Bindungszuständen auf:
Es gibt zwei Möglichkeiten Teilchen zu bilden:
• 3 Quarks mit jeweils verschiedenen Farben: Baryonen
• 2 Quarks mit jeweils einer Farbe und einer Antifarbe: Mesonen
Baryonen
q
qq q
q
d
u
Mesonen
q
q
27
Ereignis mit 3 Jets(Experiment Aleph, LEP-Collider, CERN, Genf
28
++
u
uu
u
d
d
us
c
d
D
s
u
b
b
d
uu
du
d
Proton Neutron
Mesonen
Baryonen
...
...
Atomkern
He-Kern(-Teilchen)
Atom
Materie
29
Robert Hofstadter (Nobelpreis-Vortrag 1961)
30
eeµµ
Zerfall
ee
26 ns 2200 ns
Streuprozesse-
e+e+
KKp
p
e-
e+e+
Was beobachten wir?
Zerfälle & Streuprozesse
KK
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Detektoren
32
Arten der Wechselwirkung von Teilchen mit Materie
Ionisierung inelastische Streuung an Elektronen
elastische Streuung an Kernen Kernreaktionen
Cherenkov-Strahlung Bremsstrahlung
fast nur Elektronen und Positronen
bei Photonen: Photoeffekt Comptonstreuung Paarbildung
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Detektortypen
1. photographische Emulsionen 2. Szinitillatoren 3. Ionisationsdetektoren
3.1 Gasdetektorer 3.2 Ionisationen in Flüssigkeiten 3.3 Halbleiterdetektoren
4. Nebel- und Blasenkammer 5. Cherenkov- und Übergangsstrahlungs-
Detektoren
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35
Die Bethe-Bloch-Formel
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Szintillatoren:einfachschnellheute noch im Einsatz
Lichtleiterstrukturen
Szintillator
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Geiger-Müller-Zähler
Teilchen
Hochspannung
Verstärker
Erde
RHV >> RA
Eintrittsfenster
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Positronin Nebelkammer
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Blasenkammer:Vorherrschender Detektor zwischen 1960 und 1975Behälter mit Flüssigkeit im SiedeverzugReaktionsprozesse der Strahlteilchen mit Molekülen der Flüssigkeit Durch Ionisation Kondensationskeime für BläschenbildungFotografieren der sichtbaren Spuren
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41Zerfall eines charm-Baryons (Σc
++)
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43
Vieldraht-Proportionalkammer
44
Driftkammer
45
Zeitprojektionskammer
46
Das Flüssig-Krypton-Kalorimeter des Experiments NA48 (CERN)
(Elektrodenstruktur)
47
+ Vbias
Halbleiterdetektor
48
49
Barrel des CMS-Trackers
50
Cherenkov-Strahlung in einem Schwimmbad-Reaktor
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Prinzip des Cherenkov-Effekts
52
Experiment NA48 am CERN(Messung der CP-Verletzung)als Beispiel eines Fixed-Target-Experiments
53
Fixed-Target-Experiment NA48 am CERN:Beobachtung eines Zerfalls in den verschiedenen Teilen des Detektors
54
CMS
55
CMS
Endcaps des KalorimetersEndcaps der Driftkammer
Stand Juni 2004
56
Cherenkov-Zähler
Spurkammer
MyonkammernVertexdetektor
supraleitendesSolenoid
Kalorimeter
Flugzeitzähler
3.5 GeV e+
8 GeV e -
57