Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen...

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen WS 2004/2005

Das Standardmodell der Teilchenphysik

29.10.2004

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Teilchenzoo? Ja!!!

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Was ist das Standardmodell?

-Beschreibt Teilchen und ihre Wechselwirkungen-Fasst experimentelle Daten zusammen-Macht Vorhersagen über noch unbekannte Teilchen-Bleibt aber nur ein Modell-Stimmt heute schon nicht mehr in allen Details

-Felder werden beschrieben durch Austausch von „virtuellen Teilchen“ (Bsp: E-Felder durch Austausch von Photonen)

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Inhaltsübersicht:

-Vorstoß ins Unbekannte-Welche Elementarteilchen gibt es?-Erhaltungssätze und Symmetrien-Wie funktionieren die Wechselwirkungen?-Bsp: Experiment am CERN-Grenzen des Standardmodells-Zusammenfassung

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Vorstoß ins Unbekannte

Wie tief kennen wir die Substruktur der Materie?

m??10

???

m110 m910

m910

m1010

m1410

m??10

Elementarteilchen:Teilchen ohne Substruktur(kann aber trotzdem in andere zerfallen)

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Elementarteilchen: Fermionen

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Austauschteilchen: Bosonen

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Klassifizierung von Teilchen:

Halbzahliger Spin:

Fermionen

(ein Teilchen im Zustand A)

Ganzzahliger Spin:

Bosonen

(viele Teilchen im Zustand A)

Alle Elementarteilchen Alle Wechselwirkungs-

teilchen

Hardronen Quarks und

Baryonen (q,q,q)

Mesonen (q,anti-q)

Alle Leptonen

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Symmetrien und Erhaltungssätze

Symmetrie Erhaltungsgröße

Zeitumkehr Energie

Parität (Raumsp.) Impuls

C-Parität Ladung

Isotropie Drehimpuls

Noether-Theorem: Zu jeder Symmetrie eine Erhaltungsgröße

Farbladung

Baryonenzahl

Leptonenzahl

),(),( trtr

),(),( trtrP

enAntiteilchTeilchenC )(

ii eeI

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Symmetrien und Erhaltungssätze

Bei einigen WW-Prozessen können Symmetrien bzgl.- Parität (Raumspiegelung)- C-Parität (Teilchen und Antiteilchen versch. Verha.)- Zeitumkehr- Isospin - Strangeness, Charmness, ...- Quarkzahl- Mesonenzahlverletzt sein.

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Wechselwirkungsprozesse

• Energieerhaltung• Impulserhaltung• • • Leptonzahlerhaltung• Baryonzahlerhaltung

2mcE 2

Et

Bei allen Wechselwirkungen gilt insbesondere:

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Wechselwirkungen koppeln an Ladungen:

- Elektrische WW: elektrische Ladung- Schwache WW: schwache Ladung- Starke WW: Farbladung- Gravitative WW: schwere Masse

- Verschiedene Kopplungskonstanten, Reichweiten, Wirkungsquerschnitte

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Feynman-Diagramme

• Versuchen, die WW graphisch darzustellen• Nur Symbolisch zu verstehen• Zeigt keine Teilchenflugbahnen• Zeitachse zeigt nach rechts• Pfeil in Zeitrichtung: Teilchen• Pfeil in Gegenrichtung: Antiteilchen• Pfeil senkrecht: Virtuelles Teilchen

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Elektromagnetische WechselwirkungQuantenelektrodynamik

- E-Felder wirken durch Teilchenaustausch- Austauschteilchen Photon oder Gamma- Masselos, unendliche Reichweite- Koppelt an elektrische Ladung

- Photoeffekt, Rutherfordstreuung, Comptoneffekt,

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Elektromagnetische Wechselwirkung

Paarerzeugung

„Schleifen“

e

e

e

e

Elektronenstreuung

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Schwache WechselwirkungA: von Leptonen

- Austauschteilen -Bosonen- Große Masse (80/90 GeV), Kurze Reichweite- Koppelt an schwache Ladung- Austauschteilchen selbst schwach und elektrisch

geladen: Interaktion der Bosonen

0,, ZWW

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Schwache WechselwirkungA: von Leptonen

Das Boson borgt sich die Energie, die es zu seiner Erzeugung braucht, muss sie aber zurückzahlen, bevor ihr Fehlen erkennbar wird.

keVe 511: GeVW 80:

stEt 271042

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Schwache WechselwirkungA: von Leptonen

Zerfall eines Myons über schwache WW.

Elektron-Neutrino-Steuung über schwache WW

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Schwache WechselwirkungB: von Hardronen

-Auch Quarks tragen schwache Ladung, koppeln daher an schwacher WW.

-Quarks können sich dabei in leichtere Quarks umwandeln

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Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen

Quark-Antiquark-Reaktionüber schwache WW

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Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen

Beta-Zerfall über schwache WW

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Elektro-Schwache Vereinigung

-W-Bosonen tragen elektrische Ladung-daher koppeln Photonen an W-Bosonen-elektrische und schwache WW können nicht mehr strikt getrennt werden-man spricht daher von elektroschwacher WW

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Starke WechselwirkungQuantenchromodynamik

-koppelt an Farbladung (rot, gelb, blau, Antifarben)

-Quarks tragen jeweils eine Farbe

-Bei der Wechselwirkung ändert sich die Farbe

-Gluonen tragen zwei Farben

-Alle Prozesse nach außen

Farbneutral

b r

rb,

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Starke Wechselwirkung

-Gluonen koppeln an sich selbst, da sie farbgeladen sind.

-Glueballs nach außen Farbneutral

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Starke Wechselwirkung

-bindet 2 (Mesonen) Quarks

-oder 3(Baryonen) Quarks q,q,q aneinander

qq,

q

q

q

q

q

Neutron (d,d,u) ),( du

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Starke Wechselwirkung

Möglichkeiten, Quarks zu kombinieren (hier: u,d,s)

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Starke Wechselwirkung

-Mesonen nicht sehr stabil,

-zerfallen über schwache WW

-Baryonen zerfallen in leichtere

Baryonen, bis hin zum Proton

(z.B.Neutron in Proton)

s810

Pionzerfall

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Starke Wechselwirkung

Starke Wechselwirkung wird mit Entfernung stärker potentielle Energie nimmt mit Entfernung zu

Neue Mesonen können entstehen.

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Gravitative Wechselwirkung

-Das Austauschteilchen, das Graviton wurde noch

nie beobachtet

-Masselos, unendliche Reichweite

-Spielt in Quantenmechanischen Prozessen eine

untergeordnete Rolle

-Wird daher nicht explizit im Standardmodell erfasst

-Verweis auf Einstein: Allgem. Relativitätstheorie

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Experimente zur Teilchenphysik

-Höhenstrahlexperimente: Ballon, Boden

-Collider-Experimente:Linear, Ring

-Experimente mit Kernstrahlung

Allg.: „Beobachtung“ der Teilchen durch geeignete

Detektoren

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Bsp: Large Hardron collider (LHC) am CERN

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LHC Speichering am CERN

-Protonen werden über EM-Wellen beschleunigt

-Über Magnetfelder auf Kreisbahn gezwungen

-Aufeinandergeschossen mit hohen Energien

-neue Teilchen können entstehen

-können mit Detektoren vermessen werden

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Bsp: CMS-Detektor

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Grenzen des Standardmodells

Wieso haben die Teilchen Masse?

Kopplungskonstanten bei hohen Energien?

Leptonzahlerhaltung bei Neutrinooszillationen?

Supersymmetrische Teilchen?

Dunkle Materie?

Warum drei Familien?

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Zusammenfassung

Jeweil 6 Leptonen und Quarks mit versch. Ladungen( elektrische, Farbladung)

-4 Wechselwirkungen (elmg., schwach, stark, grav.)-Alltagsmaterie aus Baryonen (uud, udd) und

Elektronen-Wechselwirkungen gehen im makroskopischen

Grenzfall in klassische Modelle über-Weitere Forschung nötig, um Unklarheiten zu

klären

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Literaturempfehlungen

• Teilchen, Felder und Symmetrien: Quantenfeldtheorie

und die Einheit der Naturgesetze, Heidelberg 1985 Bib:2.30• Lehrbücher zu Quantenfeldtheorie,

Quantenelektrodynamik, Quantenchromodynamik.• Lehrbücher zu Kerne und Teilchen