Date post: | 06-Apr-2015 |
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An der Grenze des Stofflichen
Vortrag zur Ausstellung “Elementarteilchenphysik” im
BRG 10
H. EberlInstitut für Hochenergiephysik der ÖAW
Nikolsdorfer Gasse 18, 1050 Wien
H. Eberl 11. Jänner 2005
Meine wissenschaftliche Tätigkeit
– Wo bin ich angestellt? am Hephy (Institut für Hochenergiephysik)
– Was mache ich dort? Ich bin theoretischer Physiker und arbeite auf dem
Gebiet derSupersymmetrie
– Welche “Werkzeuge” brauche ich?• Höhere Mathematik• Physik: Spezielle Relativitätstheorie, Quantenmechanik ,
Symmetrien Quantenfeldthorie
H. Eberl 11. Jänner 2005
Institut für Hochenergiephysikder Österreichischen Akademie der Wissenschaften1050 Wien, Nikolsdorfer Gasse 18
Hochenergiephysik = (Elementar) Teilchenphysik
Gegründet: 1966
Experimentelle Hauptaufgaben:
• Teilnahme an Experimenten der Teilchenphysik am Europ. Forschungszentrum CERN in Genf
• derzeit auch an einem Experiment im Forschungslab KEK in Japan beteiligt
H. Eberl 11. Jänner 2005
Mitarbeiter
23 Experimentalphysiker 4 Theoretische Physiker
13 Techniker 4 EDV-Spezialisten 4 Mechaniker 3 Administration
Ex
Th Techn
EDVMech
Ad
Experimentalphysiker: 19unbefristet
4 befristet
Theoretische Physiker: 3 unbefristet
1 befristet
H. Eberl 11. Jänner 2005
Fachbereiche :
Halbleiterdetektoren Algorithmen und SoftwareentwicklungPhysikalische DatenanalyseElektronik IElektronik IIRechentechnik Werkstatt
Konferenzen Ausstellungen
Experimente:CMSNA48BELLE
Theorie/Phänomenologie
Projekte
Theorie/Phänomenologie
H. Eberl 11. Jänner 2005
Mitarbeiter
Walter Majerotto
Helmut Eberl
Wolfgang Lucha
Christian Weber – Doktorand, befristet angestellt
Karol Kovarik - DoktorandWilhelm Öller – DoktorandGoran Milovanovic - DiplomandBernhard Schraußer – DiplomandGeorg Sulyok – Diplomand
H. Eberl 11. Jänner 2005
Arbeitsgebiete
Supersymmetrie (SUSY)H. Eberl, K. Kovarik, G. Milovanovic, W. Majerotto, W. Öller, B. Schraußer, Georg Sulyok, C. Weber
Bindungszustände von Quarks,Endliche QuantenfeldtheorienW. Lucha(Organisator von Austellungen)
H. Eberl 11. Jänner 2005
Theorie - Experiment
In der Theorie werden unterschiedliche möglicheModelle studiert und damit Vorhersagen getroffen.
Experimente vergleichen diese Vorhersagen mitgemessenen Größen und finden somit heraus,
welchesModell die Realität am besten beschreibt.
Um nun im Mikrokosmos etwas “sehen” zu können, brauchen wir einen Apparat zum Vergrößern.
H. Eberl 11. Jänner 2005
Mikroskop - BeschleunigerDa bietet sich vor allem das Mikroskop an. Der mögliche Vergrößerungsfaktor x hängt nun vom Auflösungsvermögen ab, in einfachen Worten: Bis zu welchem kleinen x kann man zwei Punkte noch als getrennte Objekte erkennen? Das hängt von der Wellenlänge des verwendeten Untersuchungsstrahles (klassisch: Licht) ab. Je kleiner seine Wellenlänge, desto hochenergetischer
wird der Untersuchungs-strahl (Planck: E = h c/) und desto tiefer dringt man in den Mikro-kosmos vor.
Elementarteilchen sind zugleich Welle und Teilchen!De Broglie, 1924, Elektron: h/p ~ h/(2 me e U)1/2 ~ 12.3 /(U/Volt)1/2 U -Beschleunigungsspannung
H. Eberl 11. Jänner 2005
Lichtmikroskop – x bis ca. 1000 fach ~ m = 10-6 m
Elektronenmikroskop – x in Praxis bis ca. 1000 000 fach ~ nm = 10-9 m
LHC (large hadron collider) ~ 10-18 mProton-Proton Kollisionen
Der LHC ist derzeit noch im Bau, Fertigstellung 2007 (?)
Beschleuniger: Energie so hoch, daß neue Teilchen erzeugt werden können (Einstein: E = m c2)
LHC und LEP gehören zu den sogenannten Ringbeschleunigern. LHC wird anstatt LEP in den LEP-Tunnel eingebaut. Der Tunnel ist ringförmig,hat einen Umfang von 27 km, und befindet sich im CERN/Genf.
LEP ist seit 2002 nicht mehr im Betrieb. LEP ~ 10-16 m = 0.000 000 000 000 000 1 m!
H. Eberl 11. Jänner 2005
H. Eberl 11. Jänner 2005
Prinzip eines KreisbeschleunigersPrinzip eines Kreisbeschleunigers
H. Eberl 11. Jänner 2005
H. Eberl 11. Jänner 2005
Moderne Experimente Das CMS-Experiment
H. Eberl 11. Jänner 2005
Moderne Experimente
Endcaps des KalorimetersEndcaps der Driftkammer
Stand Juni 2004
Das CMS-Experiment
H. Eberl 11. Jänner 2005
KräfteKräfte TeilchenTeilchen
spin = Eigendrehimpuls
Spin 1Spin 1 Spin 1/2Spin 1/2
BosonenBosonen FermionenFermionen
bilden Materie= Stofflichkeit
elektromagnetische,schwache, starke Kraft,Gravitation
Photon,W- und Z-Bosonen, Gluonen,Gravitonen (?)
Kraft – FeldKraft – Feld TeilchenTeilchen=Wechselwirkung
H. Eberl 11. Jänner 2005
Symmetrien-Erhaltungssätze
H. Eberl 11. Jänner 2005
Das Symmetrieprinzip:Bestimmte Transformationen müssen die Form der Naturgesetze unverändert lassen.
Auch bei Spiegelung undFarbänderung bleibt die
Monroe immer die Monroe
H. Eberl 11. Jänner 2005
Emmy Noether 1918:
Jede Symmetrieeigenschaft hat einen Erhaltungssatz zur Folge!
Paritätx’ = - xAbsolut rechts (links)
Bose-Einstein oderFermi-Dirac Statistik
PermutationAustausch identischer Teilchen
DrehimpulsDrehungIsotropie des Raumes
Energiet’ = t + t0Homogene Zeit
Impulsx’ = x + x0Homogener Raum
ErhaltungsgrößeSymmetrie-transformation
Symmetrieeigenschaft
Einige Beispiele:
H. Eberl 11. Jänner 2005
Ein konkretes Beispiele: Neutronzerfall
Energieerhaltung: mn > mp + me
1.00867 > 1.00727 + 0.00055
Impuls- und Drehimpulserhaltung(führte zur Entdeckung des Elektronneutrinos)
Erhaltung der elektrischen Ladung:0 = +1 – 1 + 0
Erhaltung der Baryonzahl:+1 = +1 + 0 + 0
Erhaltung der Leptonzahl:0 = 0 + 1 - 1
n p + e- + e Neutron zerfällt in ein Proton + Elektron + Antielektronneutrino
H. Eberl 11. Jänner 2005
Symmetriebrechung
In der Natur sind Symmetrien selten streng erfüllt.Erst daraus folgt deren Schönheit!
Beispiele:Teilchen-Antiteilchen AsymmetrieSupersymmetrie muß gebrochen sein.Isospin ist bei schwacher Kraft gebrochen, …Higgseffekt – spontane SymmetriebrechungTeilchen erhalten dadurch erst Masse!
H. Eberl 11. Jänner 2005
Teilchenphysik und Kosmologie
t = 0 s
Urknall: Alle vier Grundkräfte (Gravitation,elektromagnetische, schwache und starke Kraft)
sind bei der sog. Planck-Energie (1019 GeV) vereinheitlicht
t = 10-35 s
Die starke Kraft spaltet sich bei 1016 GeV ab
t = 10-10 s
Elektroschwache Symmetriebrechung bei 102 GeV:Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung
entstehen
t = 3 min
Leichte Atomkerne entstehen bei 0.1 MeV
t = 105 y
Atome, die Bausteine der Materie,entstehen erst nach ca. 100.000 Jahren
H. Eberl 11. Jänner 2005
Fermionen (Spin ½)
Ladung
0
-1
+2/3
-1/3
d
uu
du
d
Leptonen Quarks
+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
Das moderne Bild- das „Standardmodell“
H. Eberl 11. Jänner 2005
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 Kraftg
e
d
u
s
c
b
t
Leptonen Quarks
Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)
Das moderne Bild- das „Standardmodell“
H. Eberl 11. Jänner 2005
Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber …
Das Standardmodell Das Higgs-Boson
Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Dennoch wurde das Standardmodell in vielen Präzisionsmessungen hervorragend bestätigt.
Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik.
H. Eberl 11. Jänner 2005
Supersymmetrie
Der Weg zur allumfassenden Theorie?
Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grund-prinzipien der Natur manifestieren.
Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das sog.Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten.
H. Eberl 11. Jänner 2005
Bosonen FermionenIn einer supersymmetrischen Theorie treten Fermionen und Bosonen immer paarweise auf. Wenn die Natur wirklichsupersymmetrisch ist, muß es daher zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchenein supersymmetrisches Partnerteilchen geben.
SUSY - die wahre Liebeder Teilchenphysiker?
SUSY Teilchenspektrum. Grün: bekannte Teilchen des Standardmodells. Rot: gesuchte neue Teilchen.
H. Eberl 11. Jänner 2005
SUSY-Teilchen im Experiment
Rechts sieht man die schematische Darstellung von Produktion und Zerfall von SUSY Teilchen am LHC.
Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am Tevatron in den USA, am LHC im CERN und am geplanten e+ e- Linear Collider.
SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen.
Rechts daneben die Simulation der entsprechenden Signatur für den CMS Detektor.
H. Eberl 11. Jänner 2005
Virtuelle Welt
Wo ist nun die Grenze des Stofflichen? Infolge der Heisenberg’schen Unschärferelation laufen in einer kurzen Zeitspanne t Prozesse ab, die Energie- und Impulssatz verletzen. Es bilden sich sogenannte loops.Je mehr “Ordnungen” von loops man in einer Rechnung einbezieht, desto mehr erfährt man vom “Ganzen”.
1/(1 – x) = 1 + x + x2 + x3 + …
Ein Beispiel: Bei LEP wurde aus der genauen Messung der Lebensdauer des Z-Bosons die Masse des top-quarks erfolgreich vorhergesagt!
H. Eberl 11. Jänner 2005
Sfermion-Produktion mit einem e+ e- Collider
(einige Feynman Graphen)
Tree-level Graphen:
One-loop level O(hf2)
Selbstenergien:
H. Eberl 11. Jänner 2005
One-loop level O(hf2)
Vertex Graphen:
H. Eberl 11. Jänner 2005
Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik(die zur Zeit experimentell untersucht werden)
• Wie bekommen die Teilchen eine Masse? (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen?)
• Warum sind diese Massen so unterschiedlich?
• Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie (SUSY) ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen.
• Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums?
• Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?
• Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse?
• Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich der Gravitation?
• Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …)
Die „neue“ Physik
H. Eberl 11. Jänner 2005
Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik:– Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie?– Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie?
Woher kommt die Dunkle Energie?
Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik des ganz Kleinen geben – die Elementarteilchenphysik
Teilchenphysik und Kosmologie
Atome (Bekannte Materie)
3% Dunkle Materie23%
Dunkle Energie74%
H. Eberl 11. Jänner 2005
Teilchenphysik und Kosmologie
Es sind noch lange nicht alle Rätsel des Universums gelöst…