Elementarteilchen im Elementarteilchen im frühen Universumfrühen Universum

ausgearbeitet von Marcel Kimmerleausgearbeitet von Marcel Kimmerlebetreut von Prof. Heinz Clement betreut von Prof. Heinz Clement

Was haben Was haben Elementarteilchen mit Elementarteilchen mit Kosmologie zu tun?Kosmologie zu tun?BildBild Temperatur-Zeit-Urknallbild (GSI, Reise zum Urknall) Temperatur-Zeit-Urknallbild (GSI, Reise zum Urknall)

Problem der Dunklen Materie (WIMPS, Problem der Dunklen Materie (WIMPS, Neutrinos)Neutrinos)

Problem der Vakuumenergiedichte (Teilchen- Problem der Vakuumenergiedichte (Teilchen- Antiteilchenfluktuationen)Antiteilchenfluktuationen)

Was verleiht der Materie Masse, auf die dann Was verleiht der Materie Masse, auf die dann die Gravitation wirkt?die Gravitation wirkt?

Wie genau ging der Urknall vor sich, falls es ihn Wie genau ging der Urknall vor sich, falls es ihn gab?(Quark Gluonen Plasma)gab?(Quark Gluonen Plasma)

Wieso ist es interessant für die Wieso ist es interessant für die Gesellschaft?Gesellschaft?

Die moderne Spitzenforschung in Astronomie und Die moderne Spitzenforschung in Astronomie und Teilchenphysik benötigt riesige Geldsummen: Teilchenphysik benötigt riesige Geldsummen:

Reine Baukosten:

•VLT 500 Mio. €

•LEP 700 Mio. €

•LHC 1900 Mio. €

•Hubble 4000 Mio. €

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Kosten in Mrd. €

Verglichen mit anderen Ausgaben:

Was bekommt die Gesellschaft?Was bekommt die Gesellschaft?

Wissen über die Materie, Wissen über die Materie, die uns umgibtdie uns umgibt

• für medizinische für medizinische Anwendungen Anwendungen (Krebsbehandlung, (Krebsbehandlung, Kernspintomographie)Kernspintomographie)

• für neue Materialien für neue Materialien und Verfahren, die und Verfahren, die das Leben einfacher das Leben einfacher und bequemer oder und bequemer oder sicherer machen sicherer machen (Nichtzerstörende (Nichtzerstörende Materialprüfung, Materialprüfung, Quantencomputer)Quantencomputer)

Antworten auf Antworten auf grundlegende, grundlegende, philosophischen philosophischen Fragen:Fragen:

• Aus was besteht die Aus was besteht die Welt?Welt?

• Sind wir Menschen Sind wir Menschen etwas „Besonderes“?etwas „Besonderes“?

• Woher kommt die Woher kommt die Welt?Welt?

• Warum sind wir da?Warum sind wir da?

• Brauchen wir einen Brauchen wir einen Schöpfer?Schöpfer?

Themengebiete:Themengebiete:

• Standardmodell Standardmodell

• Supersymmetrische ErweiterungSupersymmetrische Erweiterung

• Quark-Gluonen PlasmaQuark-Gluonen Plasma

StandardmodellStandardmodell

• BildBild mit den Bausteinen(aus Vorlesung mit den Bausteinen(aus Vorlesung))

• Erfolge:Erfolge:

Elektroschwache VereinigungElektroschwache Vereinigung

Hohe Experimentelle Hohe Experimentelle BestätigungBestätigung

• Probleme:Probleme:

Nicht mit starker Kraft zu Nicht mit starker Kraft zu vereinigenvereinigen

17 „Elementarteilchen“ in 61 17 „Elementarteilchen“ in 61 Ausführungen Ausführungen

Experimentelle Bestätigung:Experimentelle Bestätigung:Bestätigte Vorhersagen:Bestätigte Vorhersagen:

• W-und Z-BosonenW-und Z-Bosonen

• GluonenGluonen

• schwere Quarks(c,t)schwere Quarks(c,t)

• Konstanter Konstanter Elektroschwacher Elektroschwacher MischungswinkelMischungswinkel

• TopquarkmasseTopquarkmasse

Nicht betätigt:Nicht betätigt:

• Higgsteilchen, Higgsteilchen, eventuell bei eventuell bei 115GeV ,gemessen 115GeV ,gemessen bis 113,5GeVbis 113,5GeV

• Pentaquark? (z.B. Pentaquark? (z.B. gesehener Zerfall gesehener Zerfall von Nakano: von Nakano: Neutron+Kaon)Neutron+Kaon)

Supersymmetrische Supersymmetrische Erweiterung:Erweiterung:• Symmetrie von Symmetrie von

Fermionen und BosonenFermionen und Bosonen

• Nachteil: Noch mehr Nachteil: Noch mehr ElementarteilchenElementarteilchen

• Vorteile: Vorteile: Kopplungskonstanten Kopplungskonstanten von Teilchenanzahl von Teilchenanzahl abhängig, daher wird abhängig, daher wird Vereinigung aller Kräfte Vereinigung aller Kräfte möglichmöglich

Vorhersage:Vorhersage:

• ProtonenzerfallProtonenzerfall

• sinsin22ΘΘW W = 0,2335(17)= 0,2335(17)

• Kopplungskonstanten Kopplungskonstanten schneiden sich bei schneiden sich bei 10^19 GeV10^19 GeV

• Susy-Partner im Susy-Partner im Energiebereich der Energiebereich der nächsten Beschleuniger-nächsten Beschleuniger-GenerationGeneration

Experiment:Experiment:

• Proton t Proton t > > 10^25 Jr10^25 Jr

bzw. t > 10^32 Jrbzw. t > 10^32 Jr

• sinsin22ΘΘW W = 0,2310(2)= 0,2310(2)

Aufgaben:Aufgaben:

• Bestimmung der Bestimmung der Kopplungskonstanten Kopplungskonstanten bei hohen Energienbei hohen Energien

• Susy-Partner findenSusy-Partner finden

Ausblick:Ausblick:• Im Moment gibt es viele Varianten der Susy, es werden Im Moment gibt es viele Varianten der Susy, es werden

neue Hochenergieexperimente benötigt um sie neue Hochenergieexperimente benötigt um sie auszusortierenauszusortieren

• Probleme:Probleme:

a) Kostenexplosion (LHC)a) Kostenexplosion (LHC)

b) Technische Grenze durch den Erdradius: 10^9 GeV (vgl. b) Technische Grenze durch den Erdradius: 10^9 GeV (vgl. 10^16 GeV für GUT)10^16 GeV für GUT)

• Lösung:Lösung:

i) Langzeitexperimente i) Langzeitexperimente

ii) Andere Beschleuniger, z.B. Laserii) Andere Beschleuniger, z.B. Laser

LaserbeschleunigerLaserbeschleuniger

• Große Feldstärken: Große Feldstärken: 10^12 V/m10^12 V/m

• Stromstärke: einige Stromstärke: einige MegaampereMegaampere

• 10^13 10^13 Teilchen/ImpulsTeilchen/Impuls

• Einige hundert Einige hundert Pikosekunden langPikosekunden lang

• Laser im TW-BereichLaser im TW-Bereich

Quark Gluonen PlasmaQuark Gluonen Plasma• Superdichter Superdichter

Materie- zustandMaterie- zustand

• NeutronsternNeutronstern

• expandierendes expandierendes UniversumUniversum

• Test für theoretische Test für theoretische ModelleModelle

Erzeugung:Erzeugung:•QGP bei konstantem Druck:

•QGP bei zentralem Stoß:

Experimentelles Merkmal:Experimentelles Merkmal:

Indiz:Indiz: Alternative Erklärung:Alternative Erklärung:

Stopping powerStopping power

JetquenchingJetquenching

Erhöhte Erhöhte Wahrscheinlichkeit für Wahrscheinlichkeit für StreuungStreuung

Teilchenspektrum und Teilchenspektrum und deren Verhältnisderen Verhältnis

Modellabhängig, nicht Modellabhängig, nicht konsistentkonsistent

Erhöhter Strangeness Erhöhter Strangeness GehaltGehalt

Energetische GründeEnergetische Gründe

J/J/ΨΨ Unterdrückung Unterdrückung HülleneffektHülleneffekt

DileptonenDileptonen Entstehen bei allen Entstehen bei allen Vernichtungsprozessen Vernichtungsprozessen =>Ergebnis =>Ergebnis modellabhängigmodellabhängig

Hochenergetische Hochenergetische GammasGammas

ZerfallsprodukteZerfallsprodukte

Beispiel: Jet quenchingBeispiel: Jet quenching

Entstehung der Entstehung der symmetrischen Jets symmetrischen Jets durch Partonen-durch Partonen-streuungstreuung

Vermutung: Bei Vermutung: Bei Schwerionenstößen Schwerionenstößen wird ein neuer Zustand wird ein neuer Zustand erzeugt, der den erzeugt, der den zweiten Peak zweiten Peak verschlucktverschluckt

Beispiel: TeilchenproduktionBeispiel: Teilchenproduktion

• BildBild:: • Gute Gute Übereinstimmung mit Übereinstimmung mit hydrodynamischem hydrodynamischem und statistischem und statistischem ModellModell

• Problem: Gleiches Bild Problem: Gleiches Bild entsteht bei Elektron-entsteht bei Elektron-Positron ReaktionPositron Reaktion

Schwarze Löcher in Europa?Schwarze Löcher in Europa?

mmWW=10^3 GeV m=10^3 GeV mGG=10^19 GeV=10^19 GeV

Manche Modelle mit mikroskopischen Manche Modelle mit mikroskopischen Dimensionen sagen mDimensionen sagen mGG =m =mWW voraus, falls die voraus, falls die Energiedichte hoch genug istEnergiedichte hoch genug ist

Am LHC möglich zu erzeugenAm LHC möglich zu erzeugen

Kurzlebig, da die Baby schwarzen Löcher sofort Kurzlebig, da die Baby schwarzen Löcher sofort durch Hawking-Strahlung vernichtet werdendurch Hawking-Strahlung vernichtet werden

Signatur?Signatur?

Vielen Dank für Eure Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit! Aufmerksamkeit!