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Mit dem TeilchenbeschleunigerTESLA

auf der Suche nach demBauplan des Universums

Klaus DeschRingvorlesung18/12/2001

� Stand der Elementarteilchenphysik

� Die großen Fragen

� Teilchenbeschleuniger

� Wozu TESLA: Highlights

K. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001 Seite 1

Elementarteilchen-Physik

sucht nach

kleinsten Bausteinen der Materie

und

Beschreibung der Kr afte zwischen ihnen

)keine direkte Wahrnehmung

)Entwicklung eines theoretischen Modells

THEORIE EXPERIMENT

macht widerlegbare Vorhersagen

liefert Hinweise fur das Modell..

”Gute Theorie:”

= wenig ”Zutaten” (wenig Naturkonstanten)

)Weltformel

(Asthetik $ Symmetrie)


MaßeinheitenExperimente messen = quantitative Aussagen.

) Grundeinheiten

klass. Physik Lange

Zeit

Energie

Ladung

Temperatur

Masse

...

Teilchenphysik Zusammenhang zwischen den

Grundeinheiten (Quanten-

theorie,Relativit atstheorie,...)

Energie $ Masse E = mc2

Lange $ Zeit c = ��

Energie $ Zeit E = h�

Temperatur $ Energie E = kT

Ladung $ dimensionslos (rel. St arke einer Kraft)


Maßeinheiten

[Energie ] = Joule = Ws

in der Teilchenphysik:

1 Elektronvolt = 1 eV = Energie eines Elektrons,

das von einer Spannung

1 Volt beschleunigt wurde

1 eV = 1.602�10�19 J Bindungsenergie auß. Atomh ulle

1 keV = 103 eVBindungsenergie innerer Schalen

(Rontgenstrahlung)

1 MeV = 106 eV Bindungsenergie Atomkern

1 GeV = 109 eV Masse Proton

”Bindungsenergie der Quarks”

1 TeV = 1012 eV = ??

Energie des TESLA Beschleunigers


?

Universum 10 m, 10 kg

Galaxie 10 m, 10 kg

Sonnensystem 10 m, 10 kg

Erde 10 m, 10 kg

Mensch 10 m, 10 kg

Atom 10 m, 10 kg

Atomkern 10 m, 10 kg

Nukleon 10 m, 10 kg

Quark, Lepton <10 m, 10 kg

????? ? ?

Dimensionen und Struktur der Materie 26

13

7

0

-10

-14

-15

-18

21

?

-30

-27

-26

-26

2

24

30

41

52

® S. Bethke



Drei Familien ?

Woher wissen wir, dass es wirklich drei Familien sind?

) LEP Beschleuniger (CERN):

die (leichten) Neutrinos einer vierten Familie w ¨ urden

sichtbare Effekte hinterlassen.

5

10

15

20

25

30

35

88 89 90 91 92 93 94 95

N=2

N=3

N=4

DELPHI

Energy, GeV


Substruktur ?

Warum glauben wir, dass die momentan kleinsten Bau-

steine elementar sind?

Wir wissen, dass:

rElektron � 10�18m (LEP) und

rQuark � 10�18 m (HERA)

(1/1000 Protonradius!)

keine Hinweise auf weitere Substruktur

Theoretisch nicht favorisiert (aber auch nicht ausge-

schlossen)

! Experimente!

(10�18 m, E = h/�! E� 200 GeV)


Bauplan Materie $ Bauplan Universum

Urknalltheorie:

! am Anfang gesamte Energie des Univer-

sums auf sehr kleinen Raum

! hohe Energiedichte (hohe Temperatur)

! Prozesse, die (heute) nur in Beschleuni-

gern untersucht werden k onnen, waren f ür

den Ablauf der Expansion/Abk ¨ uhlung des

Universums entscheidend.

Struktur der Materie $ Entstehung des Universums


STR

AH

LU

NG

S-D

OM

INIE

RT

E Ä

RA

MA

TE

RIE

-DO

MIN

IER

TE

ÄR

A

GROSSEVEREINHEITLICHUNG

Inflation

ELEKTROSCHWACHEEPOCHE

UUUUrrrrkkkknnnnaaaallllllll

QUANTEN-GRAVITATION

GEGENWART

UNIVERSUM WIRDTRANSPARENT

Asymmetrie Q - Q L - L

Verschwinden derAntiquarks

Formung von Pro-tonen und Neutronen

Nukleosynthesevon Helium

Verschwinden derPositronen

Entkopplungvon Strahlungund Materie

Enstehung der Sterneund Galaxien

Erste Supernovae

QQQQUUUU

AAAARRRR

KKKK----

EEEEPPPP OOOO

CCCC HHHHEEEE

LLLLEEEE

PPPP TTTTOOOO

NNNN----

EEEEPPPP OOOO

CCCC HHHHEEEE

PPPP HHHHOOOO

TTTT OOOONNNN

----EEEE

PPPP OOOOCCCC HHHH

EEEE

BildungvonAtomen

Wasserstoff-Atom

Helium-Atom

pe

ν

e

ν

p

np

np

n npp

Helium-Kern

eν

γ

γ

g

γ

ν

W

QQQQ

QQ

QQQ

e

ν

e

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Q

Q

Q

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Z

ν

ν

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Q

Q

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Proton(Baryonen)

?

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?

Q

Q

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L

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L

X??

??

????

????

Qν

ν

ν

ν

ν

ν

Proto-Galaxie

γ

γ

Schweres Atom

Schwere Sterne

ν

Wir sind hier

Die Entwicklung des Universums

?

2,7 K 15 MilliardenJahre

5 K 5 MilliardenJahre

11 K 1 MilliardeJahre

1.000 K 300.000Jahre

10 K 1 sec.10

10 K 10 sec.-1015

10 K27 10 sec.-34

10 K31 10 sec.-43

Temperatur Alter

® S. Bethke


Zusammenfassung: Bausteine

Aus heutiger Sicht:

� Materie besteht Quarks und Leptonen

� 6 verschiedene Quarks (3 Familien)

� 6 verschiedene Leptonen (3 Familien)

� ’gew ohnliche’ Materie: nur 2 Sorten Quarks und

1 Lepton (Elektron)

� hohe Energien: Gleichberechtigung der Quark- und

Lepton-Sorten. (wichtig bei Entstehung des Univer-

sum)

� Es gibt (vermutlich) keine weiteren

Quarks/Leptonen

� Zu jedem Teilchen (Quarks,Leptonen) gibt es ein

Antiteilchen

� Antimaterie wurde bei Urknall genauso wie Materie

erzeugt (wo ist sie heute ?)


Krafte: Historisches

Unser Kraftbegriff hat sich mehrfach ge andert:

1. Newton: Kraft als Fernwirkung

2. Maxwell: Kraft als Wirkung eines Feldes

3. Planck: Feld ist quantisiert ! Feldquanten, Aus-

tauschteilchen


28

DieKr�aftein

derNatur

Typ

Rel.St �arke

Austauschteilchen

wirktauf/bei

StarkeKraft

Gluonen

Quarks

1

m=0

Atomkern

Elekt.-Magn.Kraft

Photon

elektr.Ladung

�

1/1000

m=0

Atome,Chemie

SchwacheKraft

W,ZBosonen

Leptonen,Quarks

�

10�

5

80GeV,91GeV

RadioaktiveBeta-Zerf �alle

Gravitation

Graviton?

Masse,Energie

�

10�

38

m=0

DieAustauschteilchen(Bosonen)�ubertragendieKraft.

GregorHerten

U

i

it�tF

ib


Vereinigung der Kr afte ?

Grundfrage (-hoffung):

Sind die verschiedenen Kr afte auf ein gemeinsames

Prinzip (eine ”Urkraft”) zur ¨ uckzuf uhren?

Planeten

"Apfel"

Magnetismus

Schwache Kraft

Starke Kraft

Elektromagnetismus

Elektroschwache Kraft

Gravitation

GUT−Kraft?

Urkraft?Elektrizitat..

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

1

10

103

104

H1,ZEUS e p

2 / GeV2

ds/d

2 / p

Ge

V -2

Standard Model

-g,Z

W


Zusammenfassung: Kr afte

� Zwischen Materieteilchen (Quarks+Leptonen)

wirken 4 verschiedene Kr afte.

� Krafte werden durch Austauschteilen vermittelt.

� Unterschiedliche St arke der Kr afte (im uns zug ang-

lichen Energiebereich)

� Hohe Energien: Ann aherung der St arke. Vielleicht

gleiche St arke bei � 1016 - 1019 GeV.

� Entstehung des Universums von Urkraft gepr agt ?

Struktur der Kr afte $ Entstehung des Universums


Der Stand Heute

� Experimentell:

– Alle Materiebausteine entdeckt

– Austauschteilchen der elektromagnetischen,

schwachen und starken Kraft entdeckt

– Gravitation: zu schwach

� Theoretisch:

– Standard–Modell beschreibt alle Kr afte (außer

Gravitation) mit ”einfachem” Symmetrieprinzip

(”lokale Eichtheorie”).

– viele Vorhesagen !

– pr azise (LEP) uberpr uft

Sind wir fertig ???


Der Stand Heute

Measurement Pull (Omeas−Ofit)/σmeas

-3 -2 -1 0 1 2 3

-3 -2 -1 0 1 2 3

∆αhad(mZ)∆α(5) 0.02761 ± 0.00036 -.35

mZ [GeV]mZ [GeV] 91.1875 ± 0.0021 .03

ΓZ [GeV]ΓZ [GeV] 2.4952 ± 0.0023 -.48

σhad [nb]σ0 41.540 ± 0.037 1.60

RlRl 20.767 ± 0.025 1.11

AfbA0,l 0.01714 ± 0.00095 .69

Al(Pτ)Al(Pτ) 0.1465 ± 0.0033 -.54

RbRb 0.21646 ± 0.00065 1.12

RcRc 0.1719 ± 0.0031 -.12

AfbA0,b 0.0990 ± 0.0017 -2.90

AfbA0,c 0.0685 ± 0.0034 -1.71

AbAb 0.922 ± 0.020 -.64

AcAc 0.670 ± 0.026 .06

Al(SLD)Al(SLD) 0.1513 ± 0.0021 1.47

sin2θeffsin2θlept(Qfb) 0.2324 ± 0.0012 .86

m(LEP) [GeV]mW 80.450 ± 0.039 1.32

mt [GeV]mt [GeV] 174.3 ± 5.1 -.30

m(TEV) [GeV]mW 80.454 ± 0.060 .93

sin2θW(νN)sin2θW(νN) 0.2255 ± 0.0021 1.22

QW(Cs)QW(Cs) -72.50 ± 0.70 .56

Summer 2001


Die großen Fragen:

Das Standard-Modell ist sehr erfolgreiche Beschrei-

bung, l asst aber viele sehr grundlegende Fragen offen:

� Ursprung der Masse? (Higgs Boson)

� Warum drei Familien?

� Vereinigung der Kr afte (Urkraft)?

� Warum ist die Ladung von Elektron und Proton ex-

akt gleich (Zusammenhang zwischen Quarks und

Leptonen)?

� Kann das Modell die Entstehung des Universums

beschreiben? (Konsistenz zw. Kosmologie und Teil-

chenphysik)

– dunkle Materie ?

– wo sind die Antiteilchen ?

– Gravitation ?


Teilchenbeschleuniger

Zwei Moglichkeiten, Einblick in den Bauplan zu erhal-

ten (beide ben otigen Beschleuniger):

1. ”Abtasten” kleiner Strukturen

”Mikroskopie”

2. Erzeugung neuer schwerer Teilchen aus Energie:

Paarvernichtung von (z.B. Elektron und Positron).

� Entdeckung neuer Teilchen (E = mc 2)

� Prazisionsmessung (stimmen die Vorhersagen im

Detail?)

small object

light (wave)

Elektron Positron


17

Teilchenbeschleuniger

Gregor Herten Universit�at FreiburgK. Desch Mit dem Teilchenbeschleuniger TESLA auf der Suche nach dem Bauplan des Universums, 18/12/2001 Seite 20

Das Ende der Kreisbeschleuniger

”Beschleunigte Ladungen strahlen”

�E � E4

m4� 1

R

� wichtig bei kleinen beschleunigten Massen

(Elektronen)

� LEP Beschleuniger war gr oßter realistischer Kreis-

beschleuniger f ür Elektronen

� hohere Energien f ür Elektronen:

Linearbeschleuniger


Technologische Herausforderung

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� Teilchenstrahlen stehen nur einmal zur Kollision

zur Verf ugung

! Luminosit at!

! kleine Ausdehnung der Teilchenpakete n otig

(Fokussierung)

� Beschleunigung: hohe Gradienten ( = Energiege-

winn/Meter) erforderlich

� Energieverlust in den Beschleunigungsstrukturen

(Stromkosten/K ühlung)

! Supraleitung!

Technologie f ür 500 GeV Linearbeschleuniger TESLA

steht jetzt zur Verf ¨ ugung!


Beschleunigungs-Elemente

� aus reinem Niob (Supraleiter)

� kritisch:

– glatte Oberfl ache

– absolute Staubfreiheit

– Massenproduktion

(fur TESLA: � 20000 Elemente)


Der

TE

SLA

Beschleuniger

linearaccelerator linear accelerator

electron-positron collisionhigh energy physics experiments

electron source

positron source

aux. positron and2nd electron source

damping ringdamping ring

x-ray laser

positronpreaccelerator

e-

e+

e-

Lange:32

km

Energie:500

-800

GeV

hoheLum

inositat

( �1000�

LEP

)

)hohe

Sensitivit

at

ausseltene

Prozesse

K.D

eschM

itdemTeilchenbeschleunigerT

ES

LAaufder

Suche

nachdem

Bauplan

desU

niversums,18/12/2001

Seite

24

Der TESLA Beschleuniger


Elektron-Positron-Kollisionen

Elektron Positron

e

e

+

−

Photon(el−mag.)Z−Boson(schwach)

Lepton,Quark,W−Boson,...

Anti−Quark,Anti−W−Boson,Anti−...

Anti−Lepton,

Darstellung in der Teilchenphysik:

”Feynman-Diagramme”


Elektron-Positron-Kollisionen

Nachweis der Kollisionen im Detektor

� Identifikation der entstandenen Teilchen

� Messung ihrer Eigenschaften (Energien, Winkel)

) Rekonstruktion des Gesamtereignisses


Physik mit TESLA

Highlights:

� Ursprung der Masse?

! Higgs-Boson(en)

� Vereinheitlichung der Kr afte und dunkle Materie

! Supersymmetrie

� Neue Struktur der Raum-Zeit ?

! Gravitation ?!

Dies sind nur Beispiele...

Viele weitere Fragen und Modelle wurden untersucht...


Ursprung der Masse

Dilemma der (theoret.) Teilchenphysik:

Theorie funktioniert nur f ¨ ur masselose Teilchen

aber: die meisten bekannten Teilchen sind massiv

(exp. Befund).

Mogliche L osung:

Die Teilchen erscheinen uns nur massiv, da sie per-

manent einer (neuen) Kraft ausgesetzt sind, die wir

ansonsten nicht sp ¨ uren!

3 Beispiele:

1. Helium-Ballon im Auto

2. V.I.P. auf einer Party

3. Der Higgs-Mechanismus


Der Higgs-Mechnismus


Der Higgs-Mechnismus

� Im ”leeren Raum” (Vakuum) herrscht ein konstantes

nicht verschwindendes Kraftfeld (ohne Richtung!):

”skalare Kraft” ( Higgs-Feld )

� Sie hindert die Teilchen die diese Kraft sp ¨ uren an

ihrer freien Bewegung:

m = 0 ) v = c (ohne Feld)

+ (Wechselwirkung mit Higgs-Feld )

m 6= 0 ( v = �c(� < 1)

� Das Feld ist uberall, wir sp üren es nicht

! alle Teilchen die mit dem Feld wechselwirken

erscheinen uns (wenn wir das Feld ignorieren) als

hatten sie Masse


Das Higgs-Boson

Uberpr ufbare Konsequenz des Higgs-Feldes:

Es muss ein diesem Feld zugeordnetes Teilchen geben,

das Higgs-Boson

� Letzter fehlender Baustein des Standard-Modells

� Im SM wird alles über das Higgs-Boson vorhergesagt

außer seiner Masse ( ! entscheidender Test!)

Higgs-Suche bei LEP:

mH > 114 GeV

aber...


Indirekte Effekte

Zγ/

Heisenberg’sche Unsch arfe-Relation: �t�E > ~

) fur kurze Zeit k onnen ”virtuelle” Teilchen entstehen,

auch wenn die Beschleunigerenergie hierf ¨ ur nicht aus-

reicht.

) Die Moglichkeit der Fluktuation ver andert

geringf ugig

� die Reaktionsrate

� die Reaktionseigenschaften

) Prazisionsmessung ( <� 1%) der bekannten Pro-

zesse erlaubt R uckschl usse uber die virtuellen Teil-

chen.


Beispiel: top-Quark

Konnte bei LEP nicht erzeugt werden (zu wenig Strahl-

energie):

e

e

+

−

top−Quark

Anti−top−Quark

2mtop � 350GeV > 200 GeV

Trotzdem konnte die Top Masse mit Hilfe von:

vorhergesagt werden: mtop = 180� 20 GeV (1994)

1995: Entdeckung des top-Quarks am Tevatron Be-

schleuniger:

mtop = 175� 5 GeV (direkte Beobachtung)

Zγ/

t

t


Indirekte Hinweise auf Higgs-Boson

Z

Z

H

year

Hig

gs m

ass

limit

(95%

CL)

[GeV

]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

mH < 200 GeV !


Higgs-Physik bei TESLA

Prazisionsmessung aller Eigenschaften des Higgs-

Bosons.

) Beweis, dass alle Teilchen nur eine scheinbare

Masse haben!

oder: Uberraschungen (Verst andnis duch Genauigkeit).

τ τ-

-+

+

(GeV)

10

10

1

-3

-2

10-1

SM

Hig

gs B

ranc

hing

Rat

io

bb

ggcc

γγ

M H

W W

100 110 120 130 140 150 160


Jenseits des Standard-Modells

� Das SM ist vermutlich ”nur” eine N aherung f ur nicht

allzuhohe Energien

erkl art nicht:

– dunkle Materie

– verschwinden der Antimaterie

– warum Graviatation so schwach ist

– + theoretische Probleme (Unendlichkeiten...)

� Konsistente Erweiterung des Standard-Modells zu

finden ist nicht trivial...

� erster sehr vielversprechender Schritt:

Supersymmetrie


Supersymmetrie

� Zu jedem SM Teilchen (Materie+WW-Teilchen) gibt

es ein supersymmetrisches Partnerteilchen

�! Symmetrie zwischen Materie (Fermionen) und

Kraftteilchen (Bosonen)

� Supersymmetrie muss ”gebrochen” sein (sonst

hatten die SUSY Partner die gleiche Masse wie

ihre SM Teilchen)

� Leichtestes SUSY Teilchen stabil ! dunkle Materie

� beinhaltet Konzept f ¨ ur Vereinheitlichung der Kr afte

bei sehr hohen Energien


Supersymmetrie

� SUSY Teilchen k onnen bei TESLA pr azise unter-

sucht werden, wenn sie existieren

� Prazision = Schl ussel zu sehr hohen Energien (weit

hoher als jeder denkbare Beschleuniger)

”Teleskop zum Urknall”


Neue Dimensionen

ganz neues Modell:

es konnte sein, dass:

� es weitere Raumdimensionen aufgerollt auf einer

Skala von � � m gibt.

1−dim. Welt ’aufgerollte’ Extra−Dimensio n

� SM Krafte (elektro-schwach und stark) nur in der

”normalen” 3+1-dimensionalen Welt (”auf der Ober-

fl ache”) existieren k onnen

� Gravitation ins ”Innere” dringt ( ! Abweichung von

Newton’s Gravitationsgesetz)

� die Gravitation nur deshalb so schwach erscheint,

weil sich die Gravitonen in die anderen Dimensio-

nen ’verirren’

) vollig neue Vorstellung um Quantengravitation zu

verstehen

) TESLA kann die Auswirkungen dieses Modells se-

hen!



Zusammenfassung

� Struktur der Materie und der Kr afte bestimmt

die Entstehung unseres Universums

� Mit TESLA k onnen viele sehr grundlegende

Fragen untersucht werden:

– Ursprung der Masse

– Urkraft

– Rolle der Gravitation u.a.

� Technologie hierf ¨ ur steht jetzt zur Verf ¨ ugung

! aufregende Zeiten!


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