Sebastian Frank Für Neugierige von 10 bis 14 Jahren Wie erzeuge ich einen Mini-Urknall?
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Sebastian FrankFür Neugierige von 10 bis 14 Jahren
Wie erzeuge ich einen Mini-Urknall?
2Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Vom Allergrößten zum Allerkleinsten(und zurück)
3Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Unsere Alltagswelt
Unsere vertraute WeltGrößenordnung:
1 mm – 1 kmKräfte im Alltag:
– Gravitation („Schwerkraft“)
– Elektromagnetismus (Licht!)
4Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Der Nachthimmel
Im Nachthimmel sehen wir viele weitere Welten
Blick in die Ferne =Blick in die Vergangenheit
Warum?– Licht ist nicht unendlich
schnell!– Licht von fernen Objekten
braucht Zeit, um zu uns zu gelangen
– Wie sehen Objekte so, wie sie früher ausgesehen haben (Zeitmaschine!)
5Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Die Sonne
Mittlere Entfernung:1,49 × 100.000.000.000 m= 1,49 × 1011 m
Distanz entspricht8,3 Lichtminuten
Wir sehen Sonne, wie sie vor rund 8 Minuten war (Vergangenheit)
Erde
6Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Alpha Centauri
Nächstgelegene Sternsystem
DoppelsternsystemEntfernung:
4,1 × 1016 mDistanz entspricht
4,3 Lichtjahre
7Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Andromeda-Galaxie (M31)
NachbargalaxieTyp: SpiralgalaxieEntfernung:
2,4 × 1022 m 2,5 × 106 Lichtjahre
Mit bloßem Auge sichtbar!
1022 m = 10.000.000.000.000.000.000.000 m
8Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Am Rande des sichtbaren Universums
Bild zeigt die am weitesten entfernten Galaxien
Entfernung:13 × 109 Lichtjahre 1,2 × 1026 m
Alter des Universums:13,7 Milliarden Jahre
Bild zeigt 700 Millionen Jahre junges Universum!
Aber wie ist unser Universum entstanden?
9Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Der Urknall
Vor 13,7 Milliarden Jahren wurde das Universum geboren!
Entstehung von Materie, Raum und Zeit
Am Anfang gab es eine Menge verschiedener Elementarteilchen (nicht weiter zerlegbare Teilchen)
Diese Teilchen waren frei und noch nicht in Materie eingesperrt
Diese Zeit werden wir nun nachspielen!
10Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Spielregeln I
1.Ich komme mit einem Kübel voller Teilchen zu euch, jeder sucht sich ein Teilchen aus
2.Jeder bleibt dabei ruhig an seinem Platz sitzen
3.Jeder sieht sich sein Teilchen gut an und versucht es sich zu merken (Buchstabe, Symbol)
e-
u
u
d
e
g
W+
11Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Spielregeln II
4. Zu Beginn waren alle Teilchen „am Leben“ und frei
5. Wer „am Leben“ ist, hält das Teilchen weiter in der Hand
6. Teilchen können aber „aussterben“
7. Wer „stirbt“, gibt das „ausgestorbene“ Teilchen zurück in den Kübel
Nicht vergessen, die Teilchen sind nur ausgeborgt!
e-
u
u
d
e
g
W+
12Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Der Urknall und die Elementarteilchen
Zu Beginn war Universum extrem heiß und extrem dicht
Dadurch entstanden eine Menge verschiedenster Elementarteilchen
Diese Teilchen flogen wild umher und bewegten sich frei
1027 °C = 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000 °C
e-
u
d
e
g
13Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Der Urknall und die Elementarteilchen
Universum dehnt sich aus und kühlt sich dabei ab
Je kälter es wird, desto langsamer bewegen sich die Teilchen
Für manche Teilchen ist es bereits zu kalt, sie „sterben aus“!
1025 °C = 10.000.000.000.000.000.000.000.000 °C
e-
u
d
e
g
14Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Die Elementarteilchen verschwinden …
Als erstes „stirbt“ das schwere Higgs-Teilchen aus (wir Physiker glauben fest daran, daß es das Teilchen gibt!)
1016 °C = 10.000.000.000.000.000 °C
Wer dieser Teilchen hat, muss es nun in den Kübel zurückgeben!
H
15Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Die Elementarteilchen verschwinden …
Weiters „sterben“ nun die folgenden Teilchen aus:
– das „t“ Quark– das „b“ Quark– das „ττ“ Lepton– das „ττ“ Neutrino
Es verschwinden dabei auch die jeweiligen Antiteilchen!(die mit den Strich/Plus)
Antiteilchen = „Zwillingsbruder“ eines Teilchens 1015 °C = 1.000.000.000.000.000 °C
-t
+
t t
bb b
tt t
bb b
16Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Die Elementarteilchen verschwinden …
Nun „sterben“ noch diese Teilchen aus:
– das „c“ Quark– das „s“ Quark– das „μ“ Lepton– das „μ“ Neutrino
Es verschwinden wie immer dabei auch die jeweiligen Antiteilchen!
1014 °C = 100.000.000.000.000 °C
-c
+
c c
ss s
cc c
ss s
17Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Die Elementarteilchen verschwinden …
Ganz zum Schluß verschwinden noch die restlichen Antiteilchen:
– das „u“ Anti-Quark– das „d“ Anti-Quark– das „e“ Anti-Lepton– das „e“ Anti-Neutrino
Wann ist das alles passiert?Wie lang hat all dies
gedauert?Alles geschah in allererster
Sekunde nach dem Urknall!Welche Teilchen sind nun
übrig? Haltet die Teilchen mal hoch! 1011 °C = 100.000.000.000 °C
e+
e
uu u
dd d
18Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Die restlichen Elementarteilchen
Materieteilchen:– „up“ und „down“ Quarks in
allen Farben– Elektron e-
– Elektron-Neutrino e
Kraftteilchen:– Photon („Lichtteilchen”) – W- und Z-Teilchen– 8 farbige Gluonen
(„Klebeteilchen“)
Elementarteilchen, kommt zu mir nach vorne!
e
g g
W+ W-Z0
e-
uu u
dd d
19Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Die restlichen Elementarteilchen
Mit diesen Teilchen bauen wir nun unsere alltägliche Welt auf!
Dazu brauchen wir zuerst:– „up“ und „down“ Quarks– Elektron e-
– Photon – Gluonen
Die anderen Teilchen brauchen wir später!
e-
u du
ggggggg
20Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Das Proton
Wichtigster Teil eines Atomkerns
Besteht aus zwei „up“ & einem „down“ Quark
Wichtig!Farbe rot, grün & blau muß jeweils einmal vorkommen!
Damit Quarks zusammenbleiben braucht man „starke Kraft“ (Kernkraft) viafarbigen Gluonen
d
uu ggg
gggg
rot + grün + blau = weiß(Regenbogen!)
P+
21Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Das Wasserstoffatom
P+
e-
Gebundener Zustand dank Elektromagnetismus
Austausch eines Photons
Gebt nun Teilchen des Atoms in den Kübel und setzt euch wieder hin!
22Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Größe eines Atoms
10-14 mP+
e-
10-14 m
< 10-18 m
10-10 m
10-10 m = 0,0000000001 m
25Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Das Periodensystem der Elemente
Alle anderen Elemente entstehen durch Einbau von weiteren Teilchen im Atomkern und Elektronen in der Atomhülle
Entstanden im frühen Universum, in den Sternen und bei Supernovas
All diese Elemente bauen unser Universum auf!
Aber was ist mit den übrig gebliebenen Elementarteilchen?
26Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Die „schwache Kraft“
Restliche Elementarteilchen– Elektron-Neutrino– W- und Z-Teilchen
kommen nicht in den Atomen vor!
Dennoch sehr wichtig z.Bsp. für Kernfusion in der Sonne (dadurch brennt sie überhaupt!)
e
W+
W-
Z0
Gebt Teilchen zurück in den Kübel und setzt euch wieder hin!
27Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Das Standardmodell der Elementarteilchen
-
c
s
Materie
e-
e
u
d
-
t
b
+
c
s
+
t
b
e+
Antimaterie
u
e
d
1.
Gen.
2.
Gen.
3.
Gen.
1.
Gen.
2.
Gen.
3.
Gen.Müonen existieren dennoch auch heute noch für sehr
kurze Zeit in der kosmischen Höhenstrahlung!Sie werden in der Funkenkammer sichtbar gemacht!
28Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Kräfte
g
g
g
g
g
g
W+
W-
Z0
ggg
gg
ElektromagnetischeKraft
Photon
SchwacheKraft
W- u. Z-Teilchen
StarkeKraft
Gluonen
Gravitation?Extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften!(Muskelkraft vs Schwerkraft der Erde)
29Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Mit Lichtgeschwindigkeit zurück zu unserer Alltagswelt
Elemente (=Atome) verbinden sich zu Molekülen
Moleküle sind die Bestandteile von Zellen
Zellen bauen alles Lebende auf:– Pflanzen– Tiere– Menschen!
30Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Wie kann man Elementarteilchen erforschen?
… mit dem Mikroskop? NEIN– Auflösung des Mikroskops viel
zu gering!– Außerdem: die interessanten
Elementarteilchen sind ja „ausgestorben“!
… mit einem Teilchenbeschleuniger? JA– Dadurch kann man Teilchen
wieder „zum Leben erwecken“ und
– genauestens studieren!
31Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?
Geladene Teilchen (z.Bsp. Protonen) werden auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt
Dadurch erhalten Teilchen extrem hohe Energien
32Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?
Bringt man diese Teilchen frontal zur Kollision, geben sie ihre Energie wieder frei
Es entstehen kurzfristig wieder extrem heiße Zustände wie kurz nach dem Urknall(„Mini-Urknall“)
Dadurch entstehen wieder Elementarteilchen, welche zuvor „ausgestorben“ sind!
-
t
b
+
t b
H
H
H
t
t
b
33Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?
Es entstehen sogar neue, noch ganz unbekannte Teilchen!
Durch neue Teilchen erfahren wir mehr über den Aufbau unseres Universums!
Diese neuen Teilchen kann man in riesigen Detektoren untersuchen …
?Dunkle Materie?
SUSY Teilchen?…
34Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank
Der Large
Hadron Collider
35Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank