Main aims of CERN

1
Die Struktur der Materie im Überblick
2
Objekte sichtbar machen

• bloßes Auge 1mm

• Immer noch keine Bausteine sichtbar
• Wie groß sind die eigentlich ?

3
Wie kann man 0.001 µm sehen?

• Was heisst überhaupt sehen ?
• Sehen Abbilden

Wurfgeschoß (Projektil) ? Zielobjekt ?
Nachweisdetektor

• Wichtig Auflösungsvermögen

4
Unbekanntes Objekt in einer Höhle

• Projektil Basketbälle

5

• Projektil Tennisbälle

6

• Projektil Murmeln

...Nichts wie weg !
7
Objekte mit Wellen sichtbar machen
8
Verfügbare Wellenlängen
eletromagnetische Wellen
LW 3000 m
MW 300 m
KW 30 m
UKW 3 m
GPS 0.3 m
Infrarot 10-6 m
Licht 5 10-7 m 2 eV
UV 10-7 m 10 eV
Röntgen Strahlung 10-10 m 104 eV
?-Strahlung 10-12 m 106 eV
9
Erkenntnisse der Quantenphysik
Entdeckung Lichtwellen haben Teilcheneigenschaft
(Photoeffekt)
Entdeckung Teilchen haben Welleneigenschaft (Elek
tronenmikroskop)
10
Photoelektischer Effekt Energie Erhaltung
Ee h?- Ebinding
Emax h?- eUwork
11
Huygens Welle
Interferenz und Beugung z.B. Thomas
Young Doppelspalt (1801)
12
Atome als Wellen
Eintrittsschlitz 2mm
He inkohärent l 0.47 Å
1mm
8mm

• angeregtes Helium zum einfacheren Nachweis
• Wellenlänge (i.e. Geschwindigkeit) muss scharf
  sein
• Schlitze!!

CarnalMlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik
KurtsieferPfau
13
Mögliche Projektile für Strukturen lt 0.001 µm

• Sichtbare Lichtteilchen (!) (Photonen bei
  0.25-0.5 eV)
• Punktförmig (lt 0.001 fm)
• Treffgenauigkeit 0.8 µm 0.4 µm (Wellenlänge)
• Röntgenstrahlen (Photonen bei 20 keV)
• Punktförmig (lt 0.001 fm)
• Treffgenauigkeit 0.00001 µm ( 1/10 Atomradius)
• Abbildung schwierig, da nicht fokussierbar
• Elektronen bei 20 keV
• Punktförmig (lt 0.001 fm)
• Treffgenauigkeit 0.00001 µm ( 1/10 Atomradius
  (!) )
• Protonen bei 2 GeV
• Größe 1 fm
• Treffgenauigkeit 0.1 fm ( 1/10 Protonradius)
• ...

14
allgemeiner Zusammenhang
1 eV für Auflösung 10-6 m
1 keV für Auflösung 10-9 m
1 MeV für Auflösung 10-12 m
1 GeV für Auflösung 10-15 m
1 TeV für Auflösung 10-18 m
Energie 1 Elektron Volt 1 eV
1.6 1019 Joule
15
Die Mikroskope der Teilchenphysiker Beschleuniger
Objekt Größe Energie
Kristall 10-6 m 1 eV (Lichtmikroskop)
Molekül 10-9 m 1 keV103 eV (Elektronenmikroskop)
Atom 10-10 m 10 keV104 eV
Atomkern 10-14 m 100 MeV108 eV
Proton 10-15 m 1 GeV109 eV
Quark/Elektron lt10-18 m 1 TeV1012 eV
1 eV1.6 10-19 Joule
16
Die Mikroskope der Teilchenphysik Beschleuniger

• Haben Sie auch daheim!

17
Die Struktur des Atoms

• 1911 Beschuss mit Heliumkernen auf Goldfolie
• Größe 1.5 fm, Treffgenauigkeit 1 fm
• Atomdurchmesser 100.000 fmharter Kern 5 fm
  
• 1919 Rutherford Heliumkerne auf Stickstoff?
  Beobachtung einzelner Protonen
• 1932 Chadwick Heliumkerne auf Beryllium?
  Beobachtung einzelner Neutronen

18
Bausteine der Atomkerne
19
Das Quark-Gluon-Plasma
20
Das Quark-Gluon-Plasma
21
Die Augen der Teilchenphysik Detektoren
CERN, Genf, bis 2000

• Elektronische Bilder

22
Suche nach Bausteinen der Materie
Blasenkammeraufnahme
23
Zusammenfassung Bausteine

• Fundamentale Bausteine der Materie
• Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d
• Alle punktförmig ( lt 0.001 fm)
• Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen?
• Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?

24
Quarks, Bausteine der Hadronen
Name Ladung Masse in GeV/c2
up 2/3 0.005
down -1/3 0.01
charm 2/3 1.5
strange -1/3 0.15
top 2/3 175
bottom -1/3 4.5
Proton 0.938 GeV/c2
Meson 2 Quarks
1 eV1.9 10-19 Joule 1 eV/c2 1.78 10-36 kg 1
GeV/c2109 eV/c2
25
Der ß-Zerfall im Bild des Standardmodell
26
Die Leptonen
Name Ladung Masse in GeV/c2
Elektron -1 0.0005
Elektron Neutrino 0 ?
Myon -1 0.1
Myon Neutrino 0 ?
Tau -1 1.8
Tau Neutrino 0 ?
1 eV1.6 10-19 Joule 1 eV/c2 1.78 10-36 kg 1
GeV/c2109 eV/c2
27
Antimaterie Ein "Spiegelbild" der Materie