Peter SchleperRevolutionen der

Teilchenphysik Februar 2004

Elementar und Unteilbar?Revolutionen

der Teilchenphysik

Peter SchleperHamburg, 3.2.2004

Peter SchleperRevolutionen der

Teilchenphysik Februar 2004

Revolutionen jenseits von Feuer Erde Wasser Luft …

Erklaerung makroskopische

r Effekte

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Teilchenphysik Februar 2004

Materie und Antimaterie Relativitaet und Quantentheorie

DIRAC 1928 :Einstein 1905:

Masse ist eine Form von Energie• Aus Energie kann neue Masse entstehen

Quantentheorie: Teilchen Wellen-GleichungenElektron hat Spin ½: zwei Freiheitsgrade

Relativistische Quantentheorie: Loesung nur fuer 4 Freiheitsgrade

E2 = m2c4 + P2 c2

E = + (m2c4 + P2 c2)1/2_Zwei Loesungen: Elektron + ??? Anti-Elektron

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Teilchenphysik Februar 2004Vorhersagen

Symmetrie der Natur: Lorentztransformationen lassen die Natur

(physikalische Experimente) unveraendert neue mathematische Struktur der Physik: Dirac Gleichung erlaubt nur eine (wenige) Loesungen: Dirac: 2 Loesungen mit 4 Freiheitsgraden Vorhersage neuer Natur-Phaenomene: Teilchen und Antiteilchen mit Spin 1/2

Theorem von Noether: Aus Symmetrie folgt Erhaltungsgroesse(z.B.: Energie und Impulserhaltung)

1. Rel. QM Antimaterie2. Eich-Symmetrie Kraefte und Teilchen3. Spin-Symmetrie Super-Teilchen

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Teilchenphysik Februar 2004Antimaterie: Entdeckung

Hoehenstrahlung: Teilchen aus dem Kosmos Nachweis durch Ionisation in Nebelkammer (Kondensation)

E: Energie aus Reichweite und Ionisation: ~20 MeVP: Impuls und Ladung aus Kruemmung im B-Feld

Masse wie Elektron, aber Ladung positivAnti-Elektron = Positron

E2 = m2c4 + P2 c2

e+

e+ e-

e+e-

E = 1 eV typisch fuer chemische Bindung

1933:

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Teilchenphysik Februar 2004Antimaterie II

Photo einer TeilchenreaktionHoehenstrahlung

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Teilchenphysik Februar 2004Teilchen-Erzeugung

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Teilchenphysik Februar 2004Beschleuniger

• Erzeugung von Teilchen und Antiteilchen• Hoehere Energie:1. Aufloesungsvermoegen2. Entdeckungen neuer, schwerer Teilchen

In Hamburg: HERA: 300 x 109 eV

In Genf: LEP: 200 x 109 eV LHC: 14000 x 109 eV

Aufloesungsvermoegen: 10-19m

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Teilchenphysik Februar 2004LHC: der Large Hadron Collider

• CERN: Europaeisches Zentrum fuerTeilchenphysik in Genf• Proton-Proton Kollisionen bei 14000 GeV• Faktor 1000 mehr Kollisionen als bisher

Start: 2007

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Teilchenphysik Februar 2004Moderne Detektoren

Praezision durch Halbleiter-TechnologieDiode in Sperrichtung: Strom nur bei

Ionisation durch Teilchen• Aufloesung (Ort): 10 m• Impulsmessung im Magnetfeld: bis ca 1012 eV

Teil eines Si-Wafers

Teilchen-Rekonstruktion

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Teilchenphysik Februar 2004

CMS: das Compact Muon Solenoid Experiment bei LHC

• 50 x 106 elektronische Kanaele• 8 Peta-Byte Daten pro Jahr

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Teilchenphysik Februar 2004CMS Detektor

Im Vergleich: ZEUS

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Teilchenphysik Februar 2004

Das Standard Modell:Teilchen und Kraefte

Materie-Teilchen: 1. Generation

Entdeckungen2. Generation: Muon, Strange Quark Vorhersage: Neutrino,Charm3. Generation: Tau, Bottom Vorhersage: Neutrino, Top

Naturkraefte:1. Elektromagnetismus2. Schwache Kraft3. Starke Kraft4. Gravitation ???

…wegen Symmetrie zur 1.Generation

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Teilchenphysik Februar 2004Grundbausteine der Natur

Warum diese Teilchen ?Warum diese Massen ?

Higgs Teilchen !?

Warum Unterschied fuer Fermionen und Bosonen ?

Supersymmetrie !?

Austauschteilchen

Materieteilchen

Peter SchleperRevolutionen der

Teilchenphysik Februar 2004Eich-Theorie

Quantenm. Spez. Relativit.

Quantenfeldtheorie

Eichsymmetrien

Herleitung der Naturkraefteelektromagn., starke, schwache Kraft

Theorem: Nur Eichtheorien liefern physikalisch sinnvolle Resultate

Quantentheorie: Teilchen folgen WellengleichungenNur Betrag der Wellen ist beobachtbar:Phase der Welle ist beliebig:ei

laesst Experiment unveraendertSymmetrie der Natur:Erhaltung der Elektr. Ladung, Z,W,g haben Spin 1Form der KraefteAlle Teilchen in kompletten GenerationenVorhersage Charm, Top, NeutrinosEs muss ein Higgs Teilchen gebenHiggs wechselwirkt mit MasseQuantenkorreturenSelbstwechselwirkung von Z,W,g,H

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Teilchenphysik Februar 2004HERA: Starke Kraft im Proton

ZEUS

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Teilchenphysik Februar 2004HERA

Starke Wechselwirkung sagt Quark-Gluon Wechselwirkung

korrekt vorraus

Quark und Gluon Dichte: Quantenphysik im Proton

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Teilchenphysik Februar 2004Das Standard-Modell mit Higgs

LEP: e+e- ….Praezisionstest der Teilchenphysik

Z0

Z0 Z0

W+W-

Alle Experimente stimmen mit dem Standard Modell ueberein

!!…falls das Higgs existiert und

MH < 200 GeV

Sonst: WiderspruchAlternativen ????

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Teilchenphysik Februar 2004Higgs bei LHC

Higgs Entdeckung unvermeidbar (falls es existiert)

Gluonen aus Protonen: gg H

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Teilchenphysik Februar 2004Das Standard-Modell

19 Teilchen, 26 freie NaturkonstantenIst das ALLES ? Bauprinzip ?

Vereinfachungen ? Vereinheitlichungen ?

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Teilchenphysik Februar 2004Theorien der Physik

Energie, Temperatur, -Zeit

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Extrapolation der Naturgesetze

Kosmologie und Teilchen

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Teilchenphysik Februar 2004Supersymmetrie

Symmetrie zwischen Fermionen (Sin 1 /2, 3/2) und Bosonen (Spin 0, 1,

2) Jedes Teilchen bekommt ein

Partnerteilchen1/21/2 Leptonen (e, Leptonen (e, ee, …), …)

Quarks (u, d, …)Quarks (u, d, …)11 GluonenGluonen

WW

ZZ00

Photon (Photon ())0022

HiggsHiggsGravitonGraviton

SpinSpin StandardteilchenStandardteilchenSleptonen (e, Sleptonen (e, ee, …), …)Squarks (u, d, …)Squarks (u, d, …)

SpinSpinSuperpartnerSuperpartner00

1/21/2GluinosGluinosWinoWinoZinoZinoPhotino ( Photino ( ))

1/21/23/23/2

HiggsinoHiggsinoGravitinoGravitino

~~

~~ ~~~~~~

Photino kann nicht zerfallen ! Eich-Wechselwirkungen bleiben

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Hinweise auf Supersymmetrie: Kopplungen

Quantenkorrekturen beeinflussen Natur”Konstanten”

Standard-Modell: keine VereinheitlichungSupersymmetrie: Vereinheitlichung

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Hinweise auf SupersymmetryDunkle Materie im Kosmos

Gravitation ~ 1/r2 Rotationskurven (Keppler)

Abweichung von Keppler Gesetzen Abweichung von Keppler Gesetzen oder Neue Form unsichtbarer oder Neue Form unsichtbarer Materie: “ Dark Matter “ im Materie: “ Dark Matter “ im HALOHALO

Sonnensystem

Galaxie NGC6503

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Teilchenphysik Februar 2004Dunkle Materie im Kosmos

Aus Beobachtung weit entfernter Supernova Expolsionen Kosmologische Dichte

Dunkle EnergieDunkle Energie(Kosmologische Konstante)(Kosmologische Konstante)

DunkleDunkle MaterieMaterie

Normale MaterieNormale Materie (davon nur ca.(davon nur ca. 10% leuchtend)10% leuchtend)

NeutrinosNeutrinos min. 0.1%min. 0.1% max. 6%max. 6%

Unbekannte Form der Materie: Photino ???

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Teilchenphysik Februar 2004Supersymmetrie am LHC

Simulation Supersymmetrischer Ereignisse bei LHC

Supersymmetrie kann mit grosser Wahrscheinlichkeit gefunden werden

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Teilchenphysik Februar 2004

Stand der PhysikEin Zitat:

…it seems probable that most of the grand underlying principles of Physical Science have been firmly established and that further advances are to

be sought chiefly in the rigorous applications of these principles to all the phenomena which come

under our notice.…

An eminent physicist has remarked that the future truths of Physical Science are to be looked for in

the sixth place of decimals.Aus: Physics Curriculum Uni. Chicago, 1898-99Kurz danach:

Roentgen Strahlung, Entdeckung des Elektrons, Atom = Kern+Huelle, Relativitaetstheorie,

QuantenmechanikBald: Higgs, SUSY

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Teilchenphysik Februar 2004Experimenteller Urknall

HiggsSupersymmetry

Extra DimensionenSchwarze Loecher