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WYP 2005 European Masterclass WYP 2005 European Masterclass
DasDas
Standardmodell Standardmodell der Elementarteilchenphysikder Elementarteilchenphysik
Institut für HochenergiephysikTeilchenphysik und Kosmologie
t = 0 s
Urknall: Alle vier Grundkräfte (Gravitation,elektromagnetische, schwache und starke Kraft)
sind bei der sog. Planck-Energie (1019 GeV) vereinheitlicht
t = 10-35 s
Die starke Kraft spaltet sich bei 1016 GeV ab
t = 10-10 s
Elektroschwache Symmetriebrechung bei 102 GeV:Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung
entstehen
t = 3 min
Leichte Atomkerne entstehen bei 0.1 MeV
t = 105 y
Atome, die Bausteine der Materie,entstehen erst nach ca. 100.000 Jahren
Institut für Hochenergiephysik
Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik: Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie? Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie?
Woher kommt die Dunkle Energie?
Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik des ganz Kleinen geben – die Elementarteilchenphysik
Teilchenphysik und Kosmologie
Atome (Bekannte Materie) 3.00%
Dunkle Materie 23.00%
Dunkle Energie 74.00%
Institut für Hochenergiephysik
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 moderne Bild – das „Standardmodell“ Das Standardmodell
Institut für HochenergiephysikDie Farbladung
Das Standardmodell
Die starke Kraft
PINKGRÜN
GELBBLAU
TÜRKISROT
AntifarbeFarbe
stärkste Kraft, allerdings Auswirkungen nur auf sehr kleinen Distanzen
Farbladung
Quarks haben neben der elektrischen Ladung auch noch eine „Farbladung“ 1) . Das Kräfteteilchen wird Gluon genannt. Es ist für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich.
1) der Begriff Farbe ist nicht wörtlich zu nehmen; er dient nur der Anschauung
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 Die Farbladung
Baryonen
q
qq q
q
d
u
Mesonen
q
q
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
Bindungszustände Das Standardmodell
Institut für Hochenergiephysik
• Standardmodell „funktioniert“ nur mit ursprünglich masselosen Teilchen!• Masse entsteht erst durch die Wechselwirkung mit einem (hypothetischen) Higgs-Feld• Durch spontane Symmetriebrechung ist das gesamte Universum von diesem Higgs-Feld durchdrungen• „Schwingungen“ in diesem Higgs-Feld erscheinen als Higgs-Teilchen, deren Nachweis am LHC / CERN in einigen Jahren gelingen soll
Higgs Cartoon(inspired by Prof. Miller / University College London)
Spontane Symmetriebrechung
Energie
Higgsfeld
heißes Universum(kurz nach Urknall)
kaltes Universum(kondensiert in einenasymmetrischen Zustandmit Higgsfeld)0
v
Das Higgs-Teilchen Das Higgs-Teilchen
Die „neue“ Physik
Teilchen sind masselos
Teilchen haben nun Masse
Institut für Hochenergiephysik
Supersymmetrie
Der Weg zur allumfassenden Theorie?Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien der Natur manifestieren.
Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das sog.Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten.
Die „neue“ Physik
Institut für Hochenergiephysik
Bosonen
SUSY
SUSY Teilchenspektrum. Grün: bekannte Teilchen des Standardmodells. Rot: gesuchte neue Teilchen.
zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchenein supersymmetrisches Partnerteilchen
Die „neue“ Physik
Fermionen
Institut für Hochenergiephysik
SUSY-Teilchen im ExperimentSUSY-Teilchen im Experiment
Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am Tevatron in den USA, am LHC im CERN und am geplanten e+ e- Linear Collider.
SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen.
Die „neue“ Physik
Institut für Hochenergiephysik
Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik(die zur Zeit experimentell untersucht werden)
• Wie bekommen die Teilchen eine Masse? (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen?)
• Warum sind diese Massen so unterschiedlich?
• Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie (SUSY) ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen.
• Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums?
• Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?
• Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse?
• Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich der Gravitation?
• Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …)
Die „neue“ Physik
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