spannende pläne für die zukunft der physik: fair klaus goeke theoretische hadronen-physik...
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Spannende Pläne für Spannende Pläne für die Zukunft der Physik: die Zukunft der Physik:
FAIR FAIR
Klaus Goeke Klaus Goeke
Theoretische Hadronen-Physik
Ruhr-Universität Bochum
Facility for Antiproton and Ion Research
FAIRFAIR
an der GSI-Darmstadt
Welt der Welt der Physik: heute Physik: heute
Welt der Physik: Welt der Physik: Entwicklung des Universums Entwicklung des Universums
Hier muss Bild hin mit Universum und Entwicklung von links nach rechts
Fundamentale FragenFundamentale Fragen
Helle MaterieHelle Materie
Dunkle MaterieDunkle Materie
Dunkle EnergieDunkle Energie
Fundamentale FragenFundamentale Fragen
Helle MaterieHelle Materie Baryonen Atomkerne, Quarks: strange, charmBaryonen Atomkerne, Quarks: strange, charm Struktur der Materie, EntstehungStruktur der Materie, Entstehung Materie unter extremen Bedingungen, QGPMaterie unter extremen Bedingungen, QGP Ursprung der Masse, Rolle der QuarksUrsprung der Masse, Rolle der Quarks
Dunkle MaterieDunkle Materie Existenz im Universum indirekt gezeigtExistenz im Universum indirekt gezeigt Natur der DM-Teilchen unbekannt Natur der DM-Teilchen unbekannt
Dunkle EnergieDunkle Energie Existenz im Universum generell akzeptiertExistenz im Universum generell akzeptiert Physikalischer Ursprung unbekanntPhysikalischer Ursprung unbekannt
FAIRFAIR
• Primärstrahlintensitäten: Faktor 100 – 1000• Sekundärstrahlintensitäten für kurzlebige Kerne: bis zu einem Faktor 10 000• Ionenenergie: Faktor 15
Gewinnfaktoren
Spez. Eigenschaften• Intensive energiescharfe Strahlen kurzlebiger Kerne • Energiescharfe Antiprotonen- strahlen bis zu 15 GeV• Interne Targets für Experi- mente hoher Luminosität
Strahlen: Schnelle
hochgeladene Atomkerne
(Ionen)
Sekundärstrahlen: Strahlen aus radioaktiven
Reaktionsprodukten
Strahlen aus Anti-Protonen
Atom AtomkernAtom Atomkern
Relativistische Quantenfeld-Theorie mit Punkt-Teilchen
Quarks: Quanten Chromodynamik
Nukleon: Quarks und Nukleon: Quarks und GluonenGluonen
Proton: up up down
Neutron: up down down
Quarks: up down strange charm bottom top
Gluonen: Quanten der
starken Wechselwirkung
Kraft zwischen geladenen Teilchen Kraft zwischen geladenen Teilchen
1 22
1 22
el el
grav grav
q qK
rm m
Kr
Asymptotische Freiheit
ConfinementConfinement
Asymptotische Freiheit
ConfinementConfinement
Kraft zwischen zwei Quarks: 150000 N ~15 t
Stabile hadronische Stabile hadronische SystemeSysteme
3-Quark-Systeme: Baryonen: p, n, ,
Quark-Antiquark- Systeme: Mesonen: , K
existiert nicht
existiert nicht
Gibt es „exotische“
Systeme? 6 Quarks, reine Gluon-
bälle ??
Glue-Bälle und HybrideGlue-Bälle und Hybride
Crystal-Barrel: Hybride wurden mit hoher Crystal-Barrel: Hybride wurden mit hoher Wahrscheinlichkeit bereits entdecktWahrscheinlichkeit bereits entdeckt
FAIR wird in großem Stil diese Objekte FAIR wird in großem Stil diese Objekte suchen und untersuchen suchen und untersuchen
Proton-Antiproton Kollisionen Proton-Antiproton Kollisionen
Graviton-Bälle ??
Graviton-Bälle ??
Theta+: Pentaquark-TeilchenTheta+: Pentaquark-Teilchen
Proton: uud
1997: In St.Petersburg/Bochum vorausgesagt (Soliton)1997: In St.Petersburg/Bochum vorausgesagt (Soliton) 2002: 11 große Beschleuniger in Japan, Russland, USA, 2002: 11 große Beschleuniger in Japan, Russland, USA,
Deutschland etc. haben das Pentaquark identifiziertDeutschland etc. haben das Pentaquark identifiziert 2004: 8 große Beschleuniger in USA und Deutschland 2004: 8 große Beschleuniger in USA und Deutschland
haben das Pentaquark nicht gefundenhaben das Pentaquark nicht gefunden Wenn existiert Wenn existiert FAIR: Proton-Antiproton-Kollsionen FAIR: Proton-Antiproton-Kollsionen
Theta+: uudds
Struktur Struktur des des
NukleonsNukleons
Masse des Masse des NukleonsNukleons
Masse Nukleon 1000
MeV
350 MeV
350 MeV
350 MeV
Masse 5-10 MeV
Gluon: Masselos
Masse Nukleon Wechsel-
wirkungsenergie
Masse des UniversumsMasse des Universums
Die Masse der hellen Materie im Universum stammt her von der Wechselwirkungs-energie der Gluonen und Quarks
Masse des UniversumsMasse des Universums
Die Masse der hellen Materie im Universum stammt her von der Wechselwirkungs-energie der Gluonen und Quarks
Forschung mit Forschung mit AntiprotonenAntiprotonen
High-Energy Storage Ring (HESR)
with detector PANDA
HESR
uud uud
PANDA
Charmonium-SpektrumCharmonium-Spektrum
( )cc
Quarks: up down strange charm bottom top
Hyper-Kerne mit „strange“ Hyper-Kerne mit „strange“ BaryonenBaryonen
-
:
:
:
n udd
uds
dss
Atomkern mit zwei -Teilchen,
oder zwei strange Quarks
Quarks: up down strange charm bottom top
Hyper-Kerne mit „strange“ Hyper-Kerne mit „strange“ BaryonenBaryonen
Stabile Atomkerne
1 strange Quark
2 strange Quarks
Keine strange Quarks
Quarks: up down strange charm bottom top
Proton-Antiproton AnnihilationProton-Antiproton Annihilation
Änderung der Masse in Kernmaterie
D cd
Radioaktive KerneRadioaktive Kerne
Super-Fragment Separator Produziert Strahlen instabiler
Kerne
Nukleon
Kern
Kern-Kern-KollisionKern-Kern-Kollision
Radioaktive Strahlen Radioaktive Strahlen
Instabiler, radioaktiver Kern: Sekundärstrahlen
Vielzahl neuer Reaktionen mit Anwendung auf :
Sterne, Sternentwicklung,
Entstehung der Elemente
Nuklid-KarteNuklid-Karte
Stabile Kerne
Thermonukleare Fusion bis zum
Eisen
Explosive Fusion zu schweren
Elementen (r-process)
Halokerne
Thermonukleares Brennen: Thermonukleares Brennen: Entstehung leichter Entstehung leichter
ElementeElemente
Fusion erzeugt Energie und
Strahlungsdruck
Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen
H
Thermonukleares Brennen verhindert
gravitativen Kollaps durch
Strahlungsdruck aus dem Zentrum
Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen
Fe He
Thermonukleares Brennen verhindert
gravitativen Kollaps durch
Strahlungsdruck aus dem Zentrum
Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen
Fe C
Thermonukleares Brennen verhindert
gravitativen Kollaps durch
Strahlungsdruck aus dem Zentrum
Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen
Fe O
Thermonukleares Brennen verhindert
gravitativen Kollaps durch
Strahlungsdruck aus dem Zentrum
O Si
Thermonukleares Brennen Thermonukleares Brennen
Fe Si
Thermonukleares Brennen verhindert
gravitativen Kollaps durch
Strahlungsdruck aus dem Zentrum
Fe
i Fe
Ende des Brennens: FeEnde des Brennens: Fe
Fe Fe
Weiteres Brennen zu schwereren
Kernen würde Energiezufuhr
erfordern
Thermonukleares Brennen verhindert
gravitativen Kollaps durch
Strahlungsdruck aus dem Zentrum
Eisenkern: Gravitativer Eisenkern: Gravitativer Kollaps Kollaps
Fe
ee p n
Fe
....... im Prinzip zum Schwarzen Loch
Kollapps wird gestoppt: Elektronen
werden in die Protonen gedrückt und
Neutronen-Materie bildet sich
Implosion Implosion Explosion Explosion
Nachstürzende Materie wird am harten Neutronen-Core
reflektiert
Supernova-ExplosionSupernova-Explosion
Materie wird nach außen
geschleudert
Neutronen-Stern bleibt übrig.
Supernova-ExplosionSupernova-Explosion
Schockwelle rast durch den Rest-
Stern.
Neutrinos treiben die Schockwelle
Schwere Elemente werden durch Fusion
erzeugt.
Hülle wird abgestoßen
ee p n
SupernovaSupernova
Supernovae IISupernovae
Ia
Beschleunigte Expansion
Dunkle Energie
Krebs-Nebel Krebs-Nebel
Supernova-Explosion
China 1054 n.Chr.
Entstehung der ElementeEntstehung der Elemente
Neutronenstern: Hoher DruckNeutronenstern: Hoher Druck
Nukleon
KernQuark-Gluon Materie
confinement
de-confinement
DeconfinementDeconfinement
Quark-Gluon Materie
Quark-Gluon Materie
Materie unter extremen
Bedingungen
Entwicklung des Universums Entwicklung des Universums
Hier muss Bild hin mit Universum und Entwicklung von links nach rechts
Temperatur
Dichte
Kollision und Kollision und DiagnoseDiagnose
Phasendiagramm Phasendiagramm KernmaterieKernmaterie
FAIR
Deconfinement
FAIR an GSI-DarmstadtFAIR an GSI-Darmstadt Forschung mit Strahlen instabiler IsotopeForschung mit Strahlen instabiler Isotope
Kerne weitab der Stabilität, ElemententstehungKerne weitab der Stabilität, Elemententstehung Nukleare AstrophysikNukleare Astrophysik
Forschung mit AntiprotonenForschung mit Antiprotonen Hadron-Spektroskopie, Hyperkerne, Medium-EffekteHadron-Spektroskopie, Hyperkerne, Medium-Effekte Quark-Gluon-Freiheitsgrade, nicht-pert. QCDQuark-Gluon-Freiheitsgrade, nicht-pert. QCD Antiprotonen, gebunden, niedrige Energie (FLAIR)Antiprotonen, gebunden, niedrige Energie (FLAIR)
Kern-Kern-Kollisionen bei hohen EnergienKern-Kern-Kollisionen bei hohen Energien Komprimierte und heiße Kernmaterie, PhasenübergängeKomprimierte und heiße Kernmaterie, Phasenübergänge Deconfinement, strange MaterieDeconfinement, strange Materie
Ionen- und Laser-induzierte PlasmenIonen- und Laser-induzierte Plasmen Höchste Energiedichten in Materie, Zustandsgleichung Höchste Energiedichten in Materie, Zustandsgleichung
Fundamentale Untersuchungen und Anwendungen Fundamentale Untersuchungen und Anwendungen QED starker Felder, Femtosekunden-LaserQED starker Felder, Femtosekunden-Laser
FAIR: ForschungFAIR: Forschung
Struktur des Nukleons, Herkunft der Masse, Struktur des Nukleons, Herkunft der Masse, Quark-Gluon-WechselwirkungQuark-Gluon-Wechselwirkung
Struktur der Atomkerne, Halo-KerneStruktur der Atomkerne, Halo-Kerne Strange Quarks in Kernen, Charmed QuarksStrange Quarks in Kernen, Charmed Quarks Herkunft der Elemente, Weisse Zwerge, Herkunft der Elemente, Weisse Zwerge,
Super-Novae, Neutronensterne, Super-Novae, Neutronensterne, SternentwicklungSternentwicklung
Dichte und heiße Kernmaterie, Quark-Gluon-Dichte und heiße Kernmaterie, Quark-Gluon-Plasma, frühe Phasen des UniversumsPlasma, frühe Phasen des Universums
Relativistische Quanten Chromodynamik Relativistische Quanten Chromodynamik unter allen Bedingungen, nicht-perturbativunter allen Bedingungen, nicht-perturbativ
Zukünftige Erweiterung: Zukünftige Erweiterung: Polarisierte Antiprotonen Polarisierte Antiprotonen
(PAX)(PAX)Transversity:
Wahrscheinlichkeit im
transversal polarisierten
Proton ein transversal
polarisiertes Quark zu finden
FAIRFAIR
FAIR
FazitFazit
Quarks: Große Abstände Quarks: Große Abstände ConfinementConfinement
Quarks: Kleine Abstände Asymptotische Freiheit
Kraft zwischen zwei Quarks: 15000 kg
Proton-Antiproton AnnihilationProton-Antiproton Annihilation
Änderung der Masse in Kernmaterie
D cd