"Ob mir durch Geistes Kraft und Mund nichtmanch Geheimnis würde kund... Daß icherkenne, was die Welt im Innerstenzusammenhält, schau' alle Wirkenskraft undSamen, und tu' nicht mehr in Worten kramen.“
Johann Wolfgang von Goethe, Faust I
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Die drei großen Fragen
Das KOMPLEXE
Das GROSSEDas KLEINE
100.000.000.000.000.000.000.000 Sterne0.000000000000000001 Meter
100.000.000.000.000 Synapsen
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Eisenkristall im Mondgestein
Zeichen aus dem Mikrokosmos : KristalleK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Atome sind kein abstraktes Konzept sondern Realität
Kohlenstoffatome auf einer Metalloberfläche
Scanning Tunneling Microscope
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Das Wasserstoffatom - falsch und richtig
0.0000000001 = 1 Å
Wellenmuster : Auslöschung undVerstärkung - eine Konsequenz derQuantenmechanik
ABER : Atome sind räumlich lokalisierteObjekte
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Elektrizität und Magnetismus
Zwei Kräfte - Eine Ursache : Die elektrische Ladung
Wasserstoff : Elektron -e Proton +e
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Photoelektrischer Effekt
PhotonAtom mit Elektron
e-
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Röntgenstrahlung - Bremsstrahlung
Röntgen-Photonenwerden durch„Beschleunigung“von Elektronenerzeugt.
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Antiteilchen + Teilchen
Das Positron (ein positives Elektron)(1932) aus der kosmischen Strahlung
Generelles Prinzip : Antiproton, Antineutron, Antiatom,Antimaterie, ....
Umkehrung (aus plus wird minus) einiger Eigenschaften(z.B. elektrische Ladung), aber nicht allerEigenschaften (keine „negative Masse“)
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Strahlung (Photonen) aus Materie (PET)
Äquivalenz von Masse undEnergie (Vernichtung) :
m · c2 = E
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Wechselwirkungen mit Photonen
R.P. Feynman
Konzept : Elektrische und magnetische Kräftewerden durch den Austausch von Feldquantenbeschrieben. Das Photon übernimmt diese Rolle
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Übermittler der KräfteK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Der Atomkern (Kohlenstoff)
0.00000000000001 Meter = 10 Fermi1/100.000 der Atomgröße
Aber 99.9 % der Masse des Atoms
Eine ANDERE Kraft -Die Kernkraft :STARK aberkurzreichweitig
Proton -geladen
Neutron -ungeladen
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Quarks und Nukleonen
Gebrochene Ladungen : etwas Bruchrechnung .....
Proton : 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1
Neutron : 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0
Plausibles Bild, aber was hält die Quarkszusammen ? Kraftteilchen ?
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Kernfusion - Stark und Schwach
νe (Neutrino)
νe (Neutrino) Ein Neutron entsteht !
Reparatur der Ladung !
5 MillionenNeutrinos proSekunde proQuadrat-zentimeterauf der Erde
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Viel Masse fängt Neutrinos
Kamioka Mine (Japan)
• 50.000 Tonnes reines Wasser
• 11.200 Lichtdetektoren
• 1000 Meter unter Grund
Neutrinos → Reaktion mit demWasser → geladene Teilchen →Licht → Richtungsmessung
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Signale von der Sonne
Farbe repräsentiertWellenlänge dessichtbaren Lichtes
ELEKTROMAGNETISMUS
„Farbe“ repräsentiertAnzahl derrekonstruiertenNeutrinoreaktionen imWassertank
SCHWACHE KRAFT
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Neutrinos an CERN Beschleunigern (1973)
Aufbrechen eines Nukleonsdurch ein Neutrino
Anstoßen eines Elektronsdurch ein Neutrino
Neutrinos können Materie anstoßen(selten)... Schwache Kraft
Plausibles Bild, aber was vermittelt dieschwache Kraft ? Kraftteilchen ?
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Materie aus Strahlung
Ein Photon hoher Energie
Vernichtung und Produktion imFeynman Bild
Vernichtung vonTeilchen undAntiteilchen
Strahlung(Energie)
Neue Formenvon Materie
Das Arbeitspferd derexperimententellenElementarteilchenphysik
Äquivalenz von Masse und Energie E = m·c2
Elektron Positron
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
LEP am CERN : Elektronen/Positronen (1989-2000)
Effektive Vernichtungsenergie :90 bis 200 Protonmassen
Verfügbar für NEUE Objekte
Elektronen Positronen
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Beispiel Myonen (ALEPH bei LEP)
Die schwerenSchwestern derElektronen (200mal schwerer)
Bekannt seit 1937als Komponenteder kosmischenStrahlung
(auch im Foyer zubesichtigen)
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Quarks - ein kleines Problem ...
Quark-Antiquark Paare
Freie Quarks werden NIEbeobachtet, jedochBündel (JETS) aus„normalen“Elementarteilchen
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Starke „Röntgenstrahlung“ (GLUONEN)
1979 : Entdeckung desGLUONS in Form einesdritten „JETS“ amSpeicherring PETRAam DESY in Hamburg
Dies ist das Feldquantder starken Kraft
Gluon
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Übermittler der KräfteK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
W und Z - Träger der schwachen Kraft
Interessant : 3 verschiedene Feldquanten
2 elektrisch geladen (W+ und W-) → Sonne !
1 elektrisch neutral (Z0) → Anstoßen des Elektrons beim CERN
extrem schwer (80 - 90 Protonenmassen)
extrem kurzlebig (instabil)
→ schwach und kurzreichweitig
DirekterNachweis 1983und 1984 amProton-AntiprotonCollider des CERN
(Nobelpreis 1984)
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
LEP : W-Paarproduktion
!
e+
+ e"#W
++W
"# quark + antiquark + e
++ $
Die hohe Kunst desExperimentierens anBeschleunigern
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Übermittler der Kräfte - Das StandardmodellK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Die Stärke der Kräfte
Stärke
Energie
Abstand
schwach
elektromagnetisch
stark
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Teilchen unserer WeltK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Teilchen - Das Standardmodell
1/2000 derProtonmasse
175 Protonmassen
3 strukturell gleiche Familien mit steigender Masse
„Erklärung“ für die Masse „Trägheit“..
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Der Higgs Mechanismus - Masse
Higgs-Hintergrundfelderfüllt den Raum
Ein Teilchenim Higgs-Feld...
... Widerstand gegenBewegung ...Trägheit ↔ Masse
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Der Higgs Mechanismus - ein neues Teilchen als Beweis
Anregung desHintergrundfeldes
angeregtes Higgs-Hintergrundfeld schweres Higgs-Bosons
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Die Entdeckung des Neptun
„Theoretiker (Mathematiker)“Leverrier und Adamsinterpretieren 1846Bahnstörungen des Uranus undsagen die Position eines neuenPlaneten voraus
Galle und d‘Arrest entdecken an der Berliner Sternwarte den Neptun an dervorhergesagten Position. Eine Vorhersage auf Grund einer beobachtetenkleinen Abweichung vom „Standardmodell“
DIES IST DIE SITUATION DER TEILCHENPHYSIK BEIM HIGGS MECHANISMUS
aus der sorgfältigen Analyse aller Experimente, speziell bei LEP
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Der Large Hadron Collider (LHC)
Hochenergetische Proton-ProtonKollisionen im LEP Tunnel
Zugang zu Massenskalen bis1.000.000 Protonmassen
Inbetriebnahme 2007
Eine neue Dimension desExperimentierens
2000 Physiker aus 150Institutionen konzipieren undbauen erfolgreich ein Experiment(ATLAS)
4 Experimente mitunterschiedlichen Zielsetzungen
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
1200 supraleitende MagneteK.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Das ATLAS Experiment
Zielsetzung : Möglichst vollständige Abdeckung derWechselwirkungszone zum Nachweis von produziertenTeilchen.
45 Meter
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Wissenschaftliche Ziele am LHC
• Vollendung des Standardmodells durch den Nachweis des Higgs Bosons
• Suche nach einer supersmmetrischen Spiegelwelt (zu jedemMaterieteilchen ein neues „Feldquant“, zu jedem Feldquant ein neues„Materieteilchen“ (Beispiele : Squark, Selektron, Photiono, Gluino,...)
Eine verrückte Idee ? Es gibt viele indirekte Hinweise, gewisse supersymmetrische Teilchen hätten eine kosmologische Relevanz
• Suche nach einer neuen Raumstruktur bei kleinen Abständen (neueRaumdimensionen)
• Völlig unerwartete Phänomene
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Kosmologische Relevanz
GravitativeLichtablenkung lieferteine Massenverteilungim Universum, dievollständig durch nichtsichtbare Materiedominiert ist.
Standardmodell derKosmologie :
4% : BaryonischeMaterie (wir und dieSterne)
23% : Dunkle Materie
73% : Dunkle Energie
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Vom Kleinen zum GroßenPhysik : DiediskutiertenKonzepte liefernhinreichendesVorwissen füreine einfacheDarstellung derEntstehung desUniversums(Strukturen,Materie ausStrahlung)
Sie werfen aberauch viele Fragenauf (Materie /AntimaterieAsymmetrie)
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004
Die drei großen Fragen
Das KOMPLEXE
Das GROSSEDas KLEINE
100.000.000.000.000.000.000.000 Sterne0.000000000000000001 Meter
100.000.000.000.000 Synapsen
K.Meier - Heidelberg - CERN50 - 2004