1. Einleitung

Teilchenphysik im 19. Jahrhundert

Dmitri Iwanowitsch Mendelejew Am 6. März 1869 veröffentlichte er das Periodensystem der Elemente unter dem Titel „Die Abhängigkeit der chemischen Eigenschaften der Elemente vom Atomgewicht“. Dabei wurden die damals bekannten 63 Elemente ansteigend nach der Atommasse in sieben Gruppen mit ähnlichen Eigenschaften angeordnet.

Das Periodensystem der Elemente

Ihm zu Ehren: Element 101 Mendelevium

aus der Optik wissen wir:

Objektgröße

deBroglie: 2

h

mE

2010: )

Das Standardmodell der Teilchenphysik

Um die Welt des Allerkleinsten zu erklären, geht man heute vom so genannten Standardmodell der Teilchenphysik aus. Es basiert auf drei Grundbestandteilen:

Teilchen Kräfte Massen

Die Elementarteilchen des Standardmodells

1. 2. 3.

3 Elementarteilchenfamilien

Am bekanntesten ist die erste der genannten Familien. Sie beinhaltet die Bausteine der Materie, mit der wir es täglich zu tun haben. Die Teilchen der 1. Familie sind: • Elektronen – sie bilden die Atomhülle und tragen eine elektrische Ladung • Neutrinos – sie entstehen bei Kernzerfällen und in der Sonne. Man weiß heute, dass sie eine kleine, aber endliche Masse besitzen. • Up- und Down-Quarks - sind die Bausteine des Atomkerns Merke: Die Gravitation ist im Standardmodell nicht explizit enthalten

Teilchen

21 5

1 eV 1.6210-19 Joule E = mc2 m = E/c2 [MeV/c2]

Nützliche Einheiten in der Kern- und Teilchenphysik

fmMeVc 197

Kräfte

, Z, W, g

E t

22

2

0

1

4

1

rc

r

eFC

W = (80.398 0.023) GeV/c2 Z0= (91.18760.0021) GeV/c2

„confinement“

Yukawa-Potenzial:

1( ) exp( )

M cr r

r

Selbstwechselwirkung

18

0

,

10W Z

r mM c

15

0 10r m

= 1 fm

s s

Quark-Antiquark Potenzial

V(r) ~ 1/r

Im Allgemeinen können wir Gravitationseffekte wegen der kleinen beteiligten Massen völlig vernachlässigen

Erste Vereinheitlichung von Naturkräften…

Thales von Milet: geriebener Bernstein kann Staubkörner anziehen

Griechische Stadt Magnesia: Kraftwirkung ausgehend von „Magneteisensteinen“

Im Altertum…

Im 19. Jahrhundert….

H.C.Oerstedt: magnetische Wirkung des elektrischen Stroms

M. Faraday: Magnetfeld induziert in einem Leiter elektrische Spannung

J.C.Maxwell:

Maxwell-Gleichungen beschreiben elektrische und magnetische Phänomene

Das Standardmodell: ein Weg zur Weltformel ?

Das Standardmodell ist derzeit die beste gemeinsame Beschreibung von elektroschwacher und starker Wechselwirkung. ( Die elektromagnetische Wechselwirkung erscheint im Standardmodell als eine Untergruppe der elektroschwachen Wechselwirkung) Historisch sind die beiden Teile separat entwickelt worden:

1930 ff.

1957

1959-64

1961-68

1971

1973

1979

1983

seit 1983 …

Fermi-Theorie zum ß-Zerfall

Paulis Neutrino-Postulat Neutron Entdeckung

Wu-Experiment zur Paritätsverletzung

Glashow-Salam-Weinberg Theorie der elektroschw. Ww.

anomales magn. Moment d. Protons

statisches Quarkmodell

Entdeckung der neutr. Ströme (Z0) asymptotische Freiheit

Entdeckung des Gluons

Entdeckung von W,Z0

Standardmodell der elektroschwachen und starken Wechselwirkung

Renormierbarkeit nicht- abelscher Theorien

(elektro)-schwach stark

Modelle der Großen Vereinheitlichung

Ziel einer Theorie der Großen Vereinheitlichung ( Grand Unified Theory GUT ) ist es, die phänomenologisch stark unterschiedlichen elektroschwachen und starken Kräfte und letztlich auch die Gravitation als Resultat eines elementaren Grundprinzips zu verstehen.

Planetenbewegung

Fallgesetze

Gravitation: Newton

Einstein

Elektrizität

Magnetismus

Maxwell

Schwache Wechselwirkung

Starke Wechselwirkung

GWS- Modell

Standardmodell

GUT

SUGRA

Energieskalen

1019 1015 102 GeV

LHC lässt dem Higgs immer weniger Verstecke

Stand: Sommer 2011

Fazit:

Das SM der Teilchenphysik ist überaus erfolgreich

aber

…es ist nicht vollständig!

Warum gibt es drei Teilchenfamilien?

Massenhierarchie der Teilchen?

Quantengravitation/Allgem. Relativitätstheorie?

Baryonenasymmetrie im Universum?

…

… und was können Präzisionsexperimente mit Neutronen

bei niedrigsten Energien zur Klärung dieser Fragen beitragen?

Wenn es unbekannte Prozesse bei Energieskalen von

M10 5…19 GeV gibt, dann ist der Propagator der gleiche,

ob man bei Q2= 1neV oder bei Q2=103 GeV (LHC)

arbeitet, denn

222

11

MQM

Wichtig ist nur HÖCHSTE PRÄZISION und diese ist am höchsten bei NIEDRIGEN ENERGIEN

Genauigkeit (bisher) im Sektor der Neutronenphysik:

Extra Dimensionen?

Nicht-Newton‘sche Wechselwirkung auf kleinen Skalen

Suche nach einem EDM des Neutrons ( CP-Verletzung)

R,D Winkelkorrelationsparameter im ß-Zerfall des Neutrons

Suche nach Axion-ähnlichen Teilchen

Winkelkorrelations-

parameter:

a,A,B

Lebensdauer

des Neutrons

Kosmische Hintergrundstrahlung

85% der Masse mat des Universums ist unbekannt

und nicht-baryonisch Suche nach „Dunkler Materie“

From 109 years on:

Creation of stars

and galaxies