Institut für Hochenergiephysik. 1a. Geschichte der Elementarteilchen Welche Teilchen gibt es? Wie...

Institut für Hochenergiephysik

Institut für Hochenergiephysik1a. Geschichte der Elementarteilchen

• Welche Teilchen gibt es?• Wie wurden sie entdeckt?• Was sind die Bestandteile der Materie?• Was sind kosmische Strahlen?• Was sind seltsame Teilchen?• Was ist der sogenannte “Elementarteilchenzoo”?

Institut für Hochenergiephysik

1897

Das Elektrone-

ThomsonThomson

Eine kurze Geschichte der ElementarteilchenHistorische Einführung

Institut für HochenergiephysikEine kurze Geschichte der Elementarteilchen

1897

Das Photon

1900-1924

PlanckPlanck EinsteinEinstein

ComptonCompton

Historische Einführung

e-

Institut für Hochenergiephysik

1897

Das Proton

e-

1900-1924

1914

RutherfordRutherford

p

Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen

Institut für Hochenergiephysik

1897

Das Neutron

e-

1900-1924

1914

np

1932

ChadwickChadwick

Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen

Institut für Hochenergiephysik

1897

Das Müon

e-

1900-1924

1914

µp

1932

n

1937

• Hess• Anderson, Neddermeyer

• Street, Stevenson

Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen

Institut für Hochenergiephysik

1897

Das Pion

e-

1900-1924

1914

p

1932

n

1937

µ

1947

Historische Einführung

Powell Powell Yukawa Yukawa

Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen

Institut für Hochenergiephysik

1897

Das Positron (Antimaterie)

e-

1900-1924

1914

e+

p

1932

n

1937

µ

1947

Anderson Anderson

Dirac Dirac

Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen

Institut für Hochenergiephysik

1897

Das Neutrino

e-

1900-1924

1914

p

1932

n

1937

µ

1947

e+

Fermi Fermi

Historische Einführung

Pauli Pauli

Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen

Institut für Hochenergiephysik

1897

Seltsame Teilchen

e-

1900-1924

1914

KKp

1932

n

1937

µ

1947

e+

Rochester,Butler,...

1947-...

Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen

Institut für Hochenergiephysik

1897

„I have heard it said that the finderof a new elementary particle usedto be rewarded by a Nobel Prize,but such a discovery now ought tobe punished by a $10,000 fine.“

e-

1900-1924

1914

K

p

1932

n

1937

µ

1947

e+

1947-...

Willis Lamb drückte in seinerNobelpreis-Ansprache1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus:

LambLamb

Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen

Institut für Hochenergiephysik1b. Das Standardmodell

• Welche Ordnung steckt hinter dem Teilchenzoo?• Was sind die fundamentalen Teilchen?• Welchen Kräften und Wechselwirkungen

unterliegen sie?• Was ist das Besondere an der starken Kraft? • Was sind Mesonen und Baryonen?• Welche Rolle spielt das Higgs-Teilchen?

Institut für Hochenergiephysik

Lebensdauer (s)

n

c

KL

D

Kc

KS

0

B

J1s 2s

3s

4s

D*

c

0

Masse (GeV/c2)

1s

1 ms

1 µs

10-15s

10-20s

10-25s

100000

Das Standardmodell

E=1eV

1 ns

e-

Leptonen (Spin ½, keine Farbladung)

W±, Zo

Kräfteteilchen (Spin 1, Vektor-Bosonen)

p

n

c

0

Baryonen (Spin ½ oder 3/2 )

(enthält) Teilchen 1. Generation (enthält) Teilchen 2. Generation (enthält) Teilchen 3. Generation

Mesonen (Spin 0 oder 1)

KL

D

Kc

KS

0

B

J1s 2s

3s

4s

D*

Der Teilchenzoo

+

-e-

1V

1GeV = 1000000000 eV

Das Elektronenvolt (eV)

2mcΕ

Institut für Hochenergiephysik

Materieteilchen = Fermionen (Spin ½)

Ladung

0

-1

+2/3

-1/3

d

uu

du

d

Leptonen Quarks

Das Standardmodell

+1 0 Proton Neutron

Baryonen

Wechselwirkungen

stark

schwach

Schwerkraft?

Schwache KraftW, Z

Elektromagn. Kraft

Starke Kraftg

Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)

e

e

u c t

d s b

Das moderne Bild – das „Standardmodell“

Institut für Hochenergiephysik

d

u

s

c

b

t

e

e

Anti-Teilchen

Wechselwirkungenstark

schwach

e

Ladung

0

+1

-2/3

+1/3

Schwerkraft?

Schwache KraftW, Z

Elektromagn. Kraft

Starke Kraftge

d

u

s

c

b

t

Leptonen Quarks

Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)

Das Standardmodell Das moderne Bild – das „Standardmodell

Institut für Hochenergiephysik

Die schwache Kraft

Das Standardmodell

Kurze Reichweite, wirkt auf alle Materieteilchen3 Kräfteteilchen: W+, W-, ZEinzige Wechselwirkung, die eine Umwandlung der Quarkart erlaubt (Beispielprozess: Umwandlung von d- in u-Quark beim Beta-Zerfall):

Die schwache WW

Uni Wuppertal

Institut für HochenergiephysikDas Standardmodell

Die starke Kraft

Farbe Antifarbe

ROT TÜRKIS

BLAU GELB

GRÜN PINK

stärkste Kraft, allerdings Auswirkungen nur auf sehr kleinen Distanzen

Farbladung

Quarks haben neben der elektrischen Ladung auch noch eine „Farbladung“ 1) . Die zugehörigen Kräfteteilchen werden Gluonen genannt. Sie sind für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich.

1) der Begriff Farbe ist nicht wörtlich zu nehmen; er dient nur der Anschauung

Die Farbladung

Institut für Hochenergiephysik

Quarks können nicht einzeln beobachtet werden (Quark-Confinement). Sie treten immer nur in Bindungszuständen auf:

Es gibt zwei Möglichkeiten Teilchen zu bilden:

• 3 Quarks mit jeweils verschiedenen Farben: Baryonen

• 2 Quarks mit jeweils einer Farbe und einer Antifarbe: Mesonen

Das Standardmodell

Baryonen

q

qq q

q

d

u

Mesonen

q

q

Die Farbladung

Institut für Hochenergiephysik

++

u

uu

u

d

d

us

c

d

D

s

u

b

b

d

uu

du

d

Proton Neutron

Mesonen

Baryonen

...

...

Atomkern

He-Kern(-Teilchen)

Atom

Materie

Das Standardmodell Bindungszustände

Institut für Hochenergiephysik

Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber …

Das Standardmodell

Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Dennoch wurde das Standardmodell in vielen Präzisionsmessungen hervorragend bestätigt.

Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik.

Das Higgs-Boson

Institut für Hochenergiephysik

ee

µµZerfall

ee

26 ns

2200 ns

Streuprozesse-

e+e+

KKp

p

e-

e+e+

Das Standardmodell

KK

Zerfälle & Streuprozesse