Quarks und Leptonen

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Vorlesungsinhalt

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Die elementaren Bausteine der Materie

und deren Wechselwirkungen

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Quarks und Leptonen

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Das Standard Modell der Teilchenphysik

M

,M

M

M

M

M

STABIL

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Austauschteilchen zur Übermittlung der Kräfte

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GRÖSSENVERHÄLTNISSE

PROTONEN SIND 100000x KLEINER ALS ATOME (1911)

Atomkern : Atomhülle

= Knopf : Innenstadt

QUARKS, LEPTONEN SIND MIND. 10000x KLEINER ALS PROTONEN (1998)

Quark : Atomhülle

< Knopf : Erde

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Kernstruktur aus “Rutherfordstreuung”

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Die Struktur des Protons

Die drei “Valenz” Quarks

des Protons werden zusammen- gehalten durch Gluonen

(von engl. “glue”=Kleber).

Diese Gluonen können

für kurze Zeit in Quark-Antiquark Paare („See-Quarks“)

übergehen, die jedoch nach der Heisenbergsche Unschärferelation sofort wieder verschwinden.

Daher braucht man beim LHC keine Antiprotonen, denn

bei den hohen Energien haben viele der Seequarks genügend

hohe Energien um Wechselwirkungen zu erzeugen.

Heisenberg lässt

grüßen!

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Warum Quarks nicht als freie Teilchen existieren

Elektrische Kraft ∝

Dichte der elektrischen Feldlinien ∝ 1/r

Photonen ungeladen⇒

keine Selbstkopplung

Starke Kraft ∝ Dichte der Farbfeldlinien ∝ 1/r

+r

durch Gluonselbstkopplung (Gluonen bilden “Strings”) EÜ*+üpmc2 E=mc

Teilchen bilden sich entlang strings, wenn es energetisch

günstiger ist, potentielle Energie in Masse umzuwandeln ⇒

Jets von Teilchen entlang

ursprünglicher Quark-Richtung

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Collider Experimente

LHC: 14000 GeV

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Entdeckung der Quarks und Leptonen

mit Streu-Experimenten

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E=mc ² macht es möglich

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Der LEP/LHC Collider

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10 eV Beschleuniger

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Viel höhere Feldstärken bei Mikrowellen (statt statische Felder)

Mikrowellen-

kavitäten

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LHC/LEP Tunnel

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LEP Tunnel

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Supraleitender LHC Magnet: zwei Dipole

B

B

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Wirkungsquerschnitt für die e+e- Vernichtung

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Einfluss des Mondes

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Einfluss des TGVs

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Prinzip eines Detektors

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Transverse slice through CMS detector

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CMS Collaboration (Nov. 2003)

2008 scientists and engineers 160 institutes 36 countries

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The Tracker

Pixel endcap disks

214m

of silicon sensors 11.4 million silicon strips

65.9 million pixels in final configuration!

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The CMS Construction Site at Cessy

VG

SX5

Safety helmets

PM54 PX56

2585 3580

3584

He gas

tanks

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•

Woher kommt die Masse ?

Durch Wechselwirkungen mit dem Higgsfeld???

THE “CELEBRITY AT PARTY” MODEL (quarks or leptons)

THE “rumour” model (Higgs particle) Particle Mass determined by strength of

interaction with higgs field

SUCHE nach dem

Higgs Boson wichtige

Aufgabe für LHC

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Search for the ‘Higgs’ field

• Higgs field particle “decays” into

lepton (or quark) pairs according to their mass

Only 1 higgs in

1,000,000,000,000 events

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Puzzle

Fi nd 4 s traight t rac ks.

View along beam line

of the inner tracking,

with a HÆ 4µ event

superimposed. The µ

are very high energy,

so leave straight tracks

originating from the

centre and travelling

to the outside

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Puzzle solution

Make a “cut” on the

Transverse momentum

Of the tracks: p

>2 GeV

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Der Urknall und seine Teilchen

seine Teilchen Teilchenphysik Astroteilchenphysik

Kosmologie

Der Urknall

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Temperatur Entwicklung des Universums

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Energieinhalt des Universums

Nur Atome gut verstanden, d.h.

96% der Energie des Universums völlig unbekannt!

„Dark Energy“ sind

Quantenfluktuationen?

„Cold Dark Matter“ sind supersymmetrische

Partner der Photonen?

WIMP=Weakly Interacting Massive Particle

Evidenz der CDM: Rotationskurven der Galaxien

und Überschuss an Photonen

durch Selfannihilation der WIMPS

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Warum Dunkle Materie?

Rotationskurve Solarsystem

Rotationskurve

Milchstraße

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Woraus besteht Dunkle Materie?

a) Es ist neutral (sonst E-Felder)

b) Es ist schwach wechselwirkend (sonst würde

es genau so klumpen im Zentrum, wie die baryonische Materie (durch Energieverluste bei WW).

C) Es hat Masse (sonst kein Einfluss auf Rotationskurve)

D.h. Dunkle Materie besteht aus WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles)

Wimps sind Neutrinos? Nein, Galaxien formen Cluster auf KLEINEN Skalen (in Gravitationstöpfe der DM) ⇒ DM = nicht relativistisch (“Cold DM”). Neutrinos

would be “warm” or “hot” DM. ⇒

WIMPs sind neue Teilchen, die im SM nicht vorkommen!

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Repulsive Gravity

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Warum Vakuum so leer?

Was ist das Vakuum?

Vakuumfluktuationen

machen sich bemerkbar durch:

1)Lamb shift

2)Casimir Effekt

3)Laufende Kopplungs- konstanten

4)Abstoßende Gravitation

Berechnung der Vakuumenergiedichte:

10

GeV/cm

im Standard Modell 10

GeV/cm

in Supersymmetrie

Gemessene Energiedichte: 10

GeV/cm

h

h

h

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Fundamentale Fragen der Teilchenphysik

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Grand Unified Theories

Im SM Wechselwirkung beschrieben durch

Multiplikation vonMatrizen:

Starke Wechselwirkung:

3x3 der SU(3)

Farb-Symmetriegruppe (3 Farben der Quarks) Schwache Wechselwirkung 2x2 Matrizen der SU(2) Symmetrie des schwachen Isospins

Elektromagn. Wechselw.

1x1 Matrize der U(1) Symmetrie

Idee: kann ich Quarks und Leptonen vereinheitlichen in einer

größeren Symmetriegruppe, wie SU(5) oder SO(10)? -> 5x5 Matrizen

Neue Austausteilchen -> neue Kräfte! Nicht beobachtet. X,Y Bosonen schwer!

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Grand Unified Theories

Beachte: SM basiert auf Rotationssymmetrien, wie SU(n).

(Symmetrie Unitaire mit nxn Matrizen).

SU(n) hat daher n

-1 Eichbosonen (-1 durch die Unitaritätsbedingung).

Lokale (Eich)symmetrie (engl. Gauge Symmetrie) verlangt Existenz dieser n

-1 Eichbosonen.

Kleeblatt invariant unter globale SU(3) Rotationssymmetrie

Lokale Eichinvarianz: drehe nur 1 Blatt.

Invarianz nur wenn ich Info weitergebe durch Austauschteilchen, das dann die nächsten Blätter auch dreht.Oder Farbe ändert, wie bei Quarks. Brauche 9

Gluonen. Lin. Komb. rr+gg+bb inv.->8Gluonen

rr rg

gr gg gb bg bb

rb br

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎝ ⎠

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Grand Unified Theories

Aber wie können solche unterschiedlich starke Kräfte vereinheitlicht werden?

Antwort: sie sind gleich stark bei hohen Energien.

Unterschied bei niedrigen Energie durch Quantenfluktuationen (QF)!

Heisenberg lässt

grüßen!

Feld um ein elektrisch

geladenes Teilchen reduziert durch Abschirmung der

Elektron-Positron-Paare (Vakuumpolarisation)

+ -

- ^{+ -} + -

- - + +

- +

- +

+ - Feld um ein farbgeladenes

Teilchen reduziert

durch Abschirmung der

Quarkpaare, aber verstärkt durch Gluonpaare. Diese Anti- Abschirmung überwiegt.

Daher Feld auf großem

Abstand stärker als “nackte”

Farbladung des Quarks!

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Laufende Kopplungskonstanten

Schlussfolgerung der Vakuumpolarisation:

Elektromagn. WW nimmt zu bei hohen Energien.

Feinstrukturkonstante 1/137 wird 1/128 bei LEP!

Starke WW nimmt ab bei hohen Energien

(= kleinen Abständen)-> Asymptotische Freiheit

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Vereinheitlichung aller Kräfte mit SUSY

Hinweis auf Physik “Beyond the SM”?

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Was ist SUSY?

Supersymmetrie ist eine Boson-Fermion

symmetrie, die es erlaubt alle Naturkräfte zu vereinheitlichen (inkl. Gravitation)

| | | |

Q boson >= fermion > Q fermion >= boson >

2 3/2 1 1/2 0

spin → spin → spin → spin → spin

SUSY kann in der Natur nur existieren, wenn es

gleich viele Bosonen und Fermionen mit gleichen Wechsel- wirkungen gibt ⇒ Verdoppelung des Teilchenspektrums

(Waw, Eldorado für Experimentalphysiker)

In modernen Theorien sind Teilchen

Anregungen von Strings in 10-dimensionalem

Raum (String theory)

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SUPERSYMMETRIE

Symmetrie zwischen Fermionen ↔ Bosonen

(Materie) (Kraftteilchen)

Teilchenmassen 100 - 2000 GeV !

Photino = Photon mit Spin ½

statt 1 ist guter Kandidat

für die Dunkle Materie

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Bietet SUSY Kandidat für DM?

Ja, das leichteste SUSY Teilchen hat ALLE Eigenschaften eines WIMPs!

In den meisten SUSY Modellen hat dieses

sogenannte Neutralino Eigenschaften ähnlich eines Spin ½ Photons (SUSY Partner des Photons).

Indirekter Nachweis der DM

( Annihilation der DM in Materie-Antimaterie->

Überschuss an Photonen und Antimaterie in

Galaxien -> Raumfahrtexperimente, wie AMS) Direkter Nachweis der DM

( Elastische Streuung an Kernen-> schwache WW->

Untergrundexp.um kosmischen Hintergrund zu

reduzieren Exp. Edelweiss u.a. )

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Dunkle Materie, was ist das?

We don’t know it, because we don’t see it!

WdB, C. Sander, V. Zhukov, A. Gladyshev, D. Kazakov,

EGRET excess as Tracer of DM, astro-ph/0508617

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DM Annihilation in Supersymmetrie

χ χ

χ χ

χ χ χ

χ

χ χ f

f

f f

f f

Z Z W

W

χ

χ

~ f

A Z

gammas ≈37

B-Fragmentation bekannt!

Daher Spectra der Positronen, Gammas und Antiprotons bekannt!

Dominant

χ + χ ⇒ A ⇒ b bbar quark pair

Galaxie = Super B-Fabrik mit Rate 10

x B-Fabrik

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EGRET Satellit (1991-2000)

• EGRET Satellit hat 9 Jahre lang Photonen bis 100 GeV im Weltall gemessen. Daten zeigen einen Überschuss, der in allen Himmelsrichtungen das gleiche Spektrum hat.

• Wenn es Photonen aus der Selfannihilation der DM in Quarks sind, dann:

• WIMP masse aus Energie Spektrum

• Verteilung der DM aus Intensitätsverteilung

(Haloverteilung)

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Untergrund und DMA beschreiben EGRET Daten!

π ⁰ π ⁰

WIMPS IC Brems IC Brems

Wenn Normalierung frei, nur Punkt-zu-Punkt Fehler von ≤7% wichtig, nicht absolute Normierungsfehler von 15%. Statistische Fehler klein.

Fitte NUR Form von Untergrund + DMA, d.h. 1 oder 2 Parameter Fit

Keine GALAKTISCHE Modelle notwendig. Prop. Gammas ‘’straightforw.”

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Analyse der EGRET Daten in 6 Himmelsrichtungen

A: inner Galaxy (l=±30⁰, |b|<5⁰) B: Galactic plane avoiding A

C: Outer Galaxy

D: low latitude (10-20⁰⁾

E: intermediate lat. (20-60⁰) F: Galactic poles (60-90⁰)

A: inner Galaxy B: outer disc C: outer Galaxy

D: low latitude E: intermediate lat. F: galactic poles

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EGRET Excess Traces DM

xy

xz

Expected Profile

x y

z

2002,Newberg et al. Ibata et al, Crane et al. Yanny et al.

1/r

profile and rings determined from inde- pendent directions

v

∝ M/r=cons.

ρ∝ (M/r)/r and

ρ∝ 1/r

for const.

rotation curve

Divergent for NFW r=0? ∝ 1/r

Isotherm const.

Halo profile

Outer Ring Inner Ring

bulge

totalDM

1/r² halo

disk

Rotation Curve Observed

Profile xy

xz

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Model of AMS-02 on ISS

AMS-02

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Model of AMS-02 on ISS

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AMS-02 Particle Identification

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AMS-01 flown succesfully 10 days in shuttle

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Experimental constraints for experiments on the ISS

• During launch acceleration up to 9 g

• The experiment has to be operated in vacuum (radiators f. cooling!)

• Temperature variations between –180 - +50 degree Celsius

• Maximum degasing on ISS: < 1 10

g/s/cm

• Maximum weight 14708 lbs Cost: 10000 $/lbs

• Maximal power: 2kW, 1 supply cable with 120 V

• Maximum data rate: 1Mbyte/s; 1 optical link to ISS

• Superconducting magnet of 0.8 T needs 2500 l. of Helium (30% of

weight). Cooling without gravity?

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BESTRAHLUNG VON TUMOREN

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PET-AUFNAHME

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DAS INTERNET

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ANWENDUNGEN DES FREIEN ELEKTRONEN LASERS

Röntgen-FEL: 0.1 nm Laser

- Filme von chemischen Reaktionen.

- Strukturuntersuchung mit atomarer Auflösung.

Eiweißmolekül

Diffraktion an einzelnen Molekülen

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AUSBLICK

Hoffnung:

•Nach LHC können wir den Weight Watchers erzählen, woher ihre Masse kommt

•Die Anzahl der Elementarteilchen hat sich verdoppelt

•Wir verstehen 27% der Energie des Universums statt bisher 4%

IEKP Karlsruhe ist bei allen Themen dabei!

(Higgs Gruppe, SUSY Gruppe, DM Gruppe,Detektor-Gruppe)

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EINE KARLSRUHER DIPLOMANDIN