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Was die Welt im Innersten zusammenhält Martin Faessler Department für Physik, LMU
INHALT:
• Innere und äußere Grenze unserer Welt (The size of things, distances, frontiers) • Woraus bestehen wir? Von Atomen zu Elementarteilchen • Das Innerste und was es zusammenhält: Elementare Teilchen und Kräfte – Status quo • Aufbau des Universums aus Elementarteilchen • Was ist elementar? Was begrenzt den Blick ins Innere ? Antwort mit Laserexperiment • Erwartete Verschiebung der inneren Grenze in naher Zukunft
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Woraus bestehen wir? a) Geschichte: Von Elementen zu Atomen
(Ein Rückblick auf die Wiege unserer Kultur, unserer Begriffe, Namen und Fremdwörter)
Hafen von Abdera, Heimatstadt Demokrits (+Protagoras,Hippokrates)
► Vier „Elemente“ (Lat.) der alten Griechen: Wasser, Erde, Luft, Feuer (In China statt Luft: Holz+Metall ) ►Atome (= „Unteilbare“), Demokrit, 400 v.Chr. ►Heute über ca 92 Atome, elementare Bausteine der Chemie, jedoch teilbar! (Dalton, 1800 n.Chr.) -3-
Woraus bestehen wir? a) Geschichte: Von Elementen zu Atomen (Ein Rückblick auf die Wiege unserer Kultur, unserer Begriffe, Namen und Fremdwörter)
Hafen von Abdera, Heimatstadt Demokrits (+Protagoras,Hippokrates)
► Vier „Elemente“ (Lat.) der alten Griechen: Wasser, Erde, Luft, Feuer (In China statt Luft: Holz+Metall ) ►Atome (= „Unteilbare“), Demokrit, 400 v.Chr. ►Heute über ca 92 Atome, elementare Bausteine der Chemie, jedoch teilbar! (Dalton, 1800 n.Chr.) -3-
b) Von Atomen zu ihren elementaren Teilen
►Atome bestehen aus einer Hülle mit einem oder mehr Elektronen und einem nahezu punktförmigen Kern. Das Elektron ist „elementar“, der Kern nicht. ►Der Atomkern enthält Protonen and Neutronen. Sie sind beide nicht elementar. Proton und Neutron bestehen aus Quarks und Gluonen. Quarks und Gluonen sind „elementar“ aber “confined”, als freie Teilchen nie beobachtet. ►►Quarks, Gluonen und Elektronen sind punktförmig, „elementar“! Genauer gesagt: Sie erscheinen uns so. Wir wissen nur, sie sind kleiner als 10-18m (innere Gre. Woher?? (Methodische Antwort erfolgt später) -4-
Das Innerste: Alle 60 bekannten Elementarteilchen 3 „Familien“ von „Fermionen“ (Spin ½ ) 6 Leptonen
1.Familie : Elektron e-, Neutrino νe 2.Familie: Myon µνµ 3.Familie: Tauon τ ντ
1.Familie: 3 x 6 Quarks 2.Familie: 3.Familie:
up u, down d charm c, strange s top t, bottom b
insgesamt 24 verschiedene Teilchen + 24 Antiteilchen e+, v e , µ+ , … u, d, c, s, …
12 „Eich-Bosonen“ (Spin 1)
Photon γ; W+-, W--, ZO- Bosonen; 8 Gluonen
???? Wanted: Graviton (Spin 2), Higgs Boson (Spin 0)
Insges. 6 Eigenschaften der Elementarteilchen: Spin, Familienzugehörigkeit und (vereinfacht) Masse („Schwereladung“), elektrische, schwache und starke Ladung . Die Ladungen sind für die Wechselwirkungen relevant. Siehe nächste Seite. -5-
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..und was es zusammenhält: Die drei Elementarkräfte
KRAFT 1)Gravitationskraft
STÄRKE / N * REICHWEITE ~ 2· 10 -28
unendlich unendlich
2) Elektro-
~ 2· 10 +8 schwache Kraft 3) starke Kraft
2 ·10-18 m
-15 ~ 1· 10 +10 1· 10 m
* Kraft zwischen 2 Quarks im Abstand r = 10-18 m. Quarkmasse 1 GeV / c² (≈ Masse eines Nukleons), elektrische Ladung von up, charm, oder top-Quark. ( Masseinheit der Kraft: 1 N = 1 Newton = Kraft, um ein Glas Wasser hoch zu heben)
-------------------------------------------------------------------(Die Formel zur Berechnung: Kraft F = („Ladung“)2 · (ћc / r2) mit ћ = h/2π ; für r = 10 -18 m ist (ћc/r²) = 3 ·10 10 N ) -6-
Wie sich das Universum aus Elementarteilchen zusammensetzt
►Bestimmte Kombinationen aus Quarks sind durch die starke Kraft gebunden: „Hadronen“: ca 150 Mesonen , ca 130 Baryonen + 130 Antibaryonen
►Nur 1 Hadron ist stabil, das Proton! (Ein Baryon). (Antiproton auch stabil). Das Neutron ist nur im Kern-Verbund stabil.
►Proton besteht aus 2 Up- , 1 Down-Quark + Gluonen, kleine Anteile von Antiquarks und anderen Flavours. Neutron analog aus 2 Down-, 1 Up-Quark, Gluonen etc.
►Neutron n und Proton p sind in bestimmten Kombinationen durch die starke Kraft zu Kernen gebunden. Ca 350 stabile Kerne. Zahl der Protonen pro Kern ist 1 (Wasserstoff) bis 92 (Urankern) . Sichtbare Masse des Universums besteht zu 75% aus Wasserstoff (1p) , 25% Helium (2p,2n) , < 1% schwerere Kerne. (Kohlenstoff, Sauerstoff etc sind rar im Weltall!) -7-
►Kerne und Elektronen werden durch die elektromagnetische Kraft zu Atomen gebunden, gleiche Anzahl Elektronen wie Protonen) . Atome werden durch elektromagnetische Kräfte zu Molekülen und komplexeren Substanzen gebunden.
►Grosse Mengen von Materie werden durch die
Schwerkraft zu Planeten, Sternen, Galaxien gebunden.
Zusammenfassung: Wir und die ganze Erde bestehen im Wesentlichen aus Up- und Downquarks, Gluonen, Elektronen und Photonen. Nimmt man noch die bisher erforschte Zusammensetzung von und die Vorgänge in Sternen hinzu, hat es den Anschein als ob: Die 1. Familie von Elementarteilchen zusammen mit den Bosonen γ, W, Z , Gluonen und den drei elementaren Kräften hätten genügt! -8-
Arbeitshypothese von Teilchenphysikern: ►Ausgehend von den 60 ElementarteilchenIndividuen, den 3 bekannten Kräften und wenigen physikalischen Grundgleichungen und Bauprinzipien (z.B. Pauliprinzip) ►muss sich das ganze Universum im Prinzip beschreiben lassen, ►bis zur inneren Grenze von gegenwärtig 10 -18m ►und zurück in die Vergangenheit bis zu 10 -4 Sekunden nach dem Urknall. (Zu dieser Zeit entsprach die Temperatur des Weltalls Teilchenenergien von 10+12eV.) In der Praxis setzen nur die Komplexität von Substanzen, die ungeheure Zahl der Komponenten (Beispiel Gehirn von Menschen und Tieren) der exakten Beschreibung eine Grenze.
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Die grossen Fragen der Elementarteilchenphysik – eine persönliche Auswahl ►Warum gibt es 3 Familien mit identischen
„Ladungen“ (abgesehen von Masse)? ►Sind die gegenwärtigen Elementarteilchen elementar, sind sie Strings, oder bestehen sie aus noch kleineren Teilchen? Wie sieht es weiter innen aus, unterhalb von 10 -18 m .
►Lassen sich die drei fundamentalen Kräfte zu
einer Kraft vereinheitlichen? ►Gibt es das Higgsboson, ein hypothetisches Teilchen, das von der heutigen Standardtheorie der elektro-schwachen Wechselwirkung gebraucht wird? ►Wo ist die Antimaterie geblieben, die nach dem Urknall in gleicher Anzahl wie die Materie erzeugt wurde, nach unseren Vorstellungen. ►Woraus besteht die Dunkelmaterie und Dunkelenergie in den Galaxien? Eine neue Spezies von Elementarteilchen? -10-
(Alles Fragen, vielleicht sogar beantwortbar, die bescheiden sind in Anbetracht der unfassbaren Proliferation von Elementarteilchen, insbesondere von Photonen, Up- und Down-Quarks und Elektronen in unserem Universum und der Komplexität makroskopischer Objekte: Jeder Mensch enthält ca 10 29 Upquarks... Die Sonne 2•10 28 mal so viel. Es gibt 1011 Sonnen in der Galaxis und 1011 Galaxien im Universum. Der reine Wahnsinn. Warum gibt es so irrwitzig viele Teilchen? -eine dumme Frage)
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Was ist elementar? Was begrenzt den Blick ins Innerste der Welt? Elementarteilchen, notwendige Eigenschaften: - gemessene Größe verträglich mit Null, d.h. punktförmig im Raum (Weitere Eigenschaft: - Unteilbar – und können dennoch in andere Elementarteilchen zerfallen, z.B. d→u +e +ν)
Wie misst man die Größe von Objekten? a) Vergleich mit Referenzmaßstab b) Wie a), nach Vergrößerung durch Abbildung mit Instrumenten wie Mikroskop oder Fernrohr
Man benötigt in jedem Fall Strahlen, die an dem Objekt gestreut, abgelenkt werden, Licht oder Elektronen oder andere Teilchen. Man kann zeigen, dass einerseits die Auflösung optischer Instrumente durch die Wellennatur, insbesondere die Wellenlänge, des Lichtes und der Teilchen begrenzt ist (→Wellen-Teilchen-Dualismus) und andererseits c)
die Wellenlänge der zur Untersuchung verwendeten Strahlung als Referenzmaßstab verwendet werden kann. So macht man es in der subatomaren Physik
Experiment: Beugung einer Welle an einem kleinen Objekt. Wann erscheint es als strukturlos, d.h. punktförmig? Welle im Demonstrationsexperiment: Licht (elektromagnetische Welle) eines Lasers. Die Objekte: ein Haar und ein Spalt, letzterer von variabler Breite. Beugung der Welle am Objekt führt zu einem Beugungsmuster mit Minima und Maxima der Strahlintensität. Das erste Beugungsminimum befindet sich bei einem Beugungswinkel θ 1. Min. sinus (θ) = λ /d θ Hauptmax.
wobei d = Haardurchmesser bzw Spaltbreite λ = Wellenlänge des Lichts Die kleinste Dicke d, für die man noch ein Minimum sehen kann, ist erreicht, wenn sinus (θ) = 1
d.h.
d=λ
Jede kleinere Breite erscheint als punktförmig. -12-
Die Wellenlänge von sichtbarem Licht beträgt λ
= 400-800 Nanometer
Damit kann man eben noch Strukturen grösser als 400 Nanometer = 4•10-7 m erkennen. Die kleinsten gegenwärtig verfügbaren Wellenlängen für die Untersuchung von Materiestrukturen sind λ = 10 -18 m Damit kann man noch Strukturen grösser als 10 -18 m erkennen. Dadurch ist die gegenwärtige innere Grenze unserer Welt bedingt!
Wie die Wellenlänge mit der Energie von Teilchenstrahlen zusammenhängt, sehen wir gleich. Dann wird auch klar, warum Elementarteilchenphysik =Hochenergiephysik. -13-
Teilchennatur von Lichtwellen und Wellennatur von Teilchen Einsteins Erklärung des Photoeffekts (1905), Nobelpreis: Elektromagnetische Wellen (Licht) bestehen aus Teilchen (Photonen) mit einem Impuls p:
p=h/λ wobei
h = Plancksches Wirkungsquantum λ= Wellenlänge Wellennatur von Teilchen (de Broglie, 1924) Teilchen breiten sich wie Wellen im Raum aus, mit einer Wellenlänge:
λ=h/p
Maximaler Impuls an Teilchenbeschleunigern 12 pmax = 10 eV/c -6 ergibt (mit hc ≈ 10 eVm) eine minimale Wellenlänge von λmin = 10 -14-
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m
Expedition zur inneren Grenze, Teil 1 Teilchenbeschleuniger Bisher größter Beschleuniger: LEP
Large Electron Positron Collider am CERN, Genf Umfang 28 km 0.1 TeV Elektronen auf 0.1 TeV Positronen (1 TeV = 1012 eV )
Beschleuniger mit der zur Zeit größten Energie TEVATRON
Collider am Fermilab, Chicago
1 TeV Protonen auf 1 TeV Antiprotonen
Größter Beschleuniger mit höchster Energie (ab 2007): LHC
Large Hadron Collider 28 km Umfang, am CERN 8 TeV Protonen auf 8 TeV Protonen
LHC wird die innere Grenze von 10-18 auf 10-19 m verschieben.
Kosten von LHC mit Detektoren:ca 3MilliardenEuro -15-
Expedition zur inneren Grenze, Teil 2 Detektoren z.B. Atlas-Detektor: 44 m lang, 22 m Durchmesser, Gewicht wie Eiffelturm. Vorbereitungs- und Aufbauzeit pro Detektor: 20 Jahre x 2500 Physiker/innen = 50000Mannjahre !
(Kollaborationen von 2500 Physikern weltweit) www am CERN erfunden, um Kommunikation zwischen Physikern zu optimieren In jeder Beziehung optimierte modernste Hardware, voller Innovationen. Beispiel: die Position der meisten Subdetektoren (einige Millionen) muss auf Haaresbreite (0.1mm) bekannt sein. Schnellste Datenauslese und Datenverarbeitung (Datentransfer-Rate entspricht der des gesamten Telephonnetzes weltweit) -16-
Epilog Die Frage, woraus die Welt im Innersten besteht und was die Bausteine zusammenhält, ist sicher eine der fundamentalen Fragen der Menschheit. Verschiebung der inneren Grenze ist aufwändig. Kosten für LHC und Experimente gigantisch. (Bisher nur mit Hubble-Teleskop vergleichbar). Aber pro einzelnem Wissenschaftler normal! Kann sich die Menschheit so viele Elementarteilchenphysiker erlauben? (Allgemein: Wieviel rein erkenntnis-orientierte Grundlagenforschung?) Grundlagenforschung in den Grenzbereichen ist Quelle von Innovationen. [Weisskopf: “The problems at the frontier of science are exactly those that cannot be resolved with established methods].
Ihre “Spin-offs” dominieren unsere Zivilisation. Die Kooperation aller Teilchenphysiker der Welt und die uneingeschränkte Offenheit ihrer Forschung sind vorbildlich. Motiv war die Einsicht, dass man nur gemeinsam das hochgesteckte Ziel erreichen kann.
