Institut für HochenergiephysikDas 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

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 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

„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 Hochenergiephysik

Die Masse des Protons ist ca. 1 GeV/c2

Das Standardmodell Der Teilchenzoo

+

-e-

1V

1GeV = 1000000000 eV

Das Elektronenvolt (eV)

2mcΕ

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 Standardmodell Das moderne Bild – das „Standardmodell

Institut für Hochenergiephysik

Die schwache Kraft

Das Standardmodell

Kurze Reichweite, wirkt auf alle Teilchen3 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) . 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

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

Institut für HochenergiephysikHorizonte der Teilchenphysik

• Was ist spontane Symmetriebrechung?• Was ist Supersymmetrie ? • Was sind die „heißen“ Fragen der

Teilchenphysik und Kosmologie?

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

SUSY-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 HochenergiephysikHorizonte der Teilchenphysik

Elektromagnetische

Kraft

schwache Kraft

starke Kraft

Schwerkraft

Elektroschwache

Kraft

Große

Vereinigung

?

Institut für Hochenergiephysik

Woraus ist das Universum aufgebaut?

Unser Universum setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:

• Nur 4% normale Materie: Sterne, interstellare Materie

• Größte Teil des Universum besteht aus Unbekanntem:

- 1/3 aus „Dunklen Materie“

- 2/3 aus „Dunklen Energie“

Kosmologie und Astrophysik

Institut für Hochenergiephysik

• Diskrepanz zwischen beobachteten und berechneten Massen in Galaxien und Galaxienhaufen

• Sterne bewegen sich zu rasch um die Zentren der Galaxien

• Galaxienhaufen würde sich in ihre Bestandteile auflösen

• Beide Beobachtungen nur durch eine zusätzliche Gravitationsanziehung erklärbar

Kosmologie und Astrophysik

Dunkle Materie

Institut für Hochenergiephysik

Dunkle Energie

• Bewirkt eine Beschleunigung der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums

• Auf Grund der Gravitationsanziehung der Materie Abbremsung der Ausdehnung des Universums

• Aber Beobachtungen ergaben: Universum dehnt sich immer schneller aus

• Grund: Dunkle Energie

Kosmologie und Astrophysik

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

Institut für HochenergiephysikTeilchenphysik und Kosmologie

Es sind noch lange nicht alle Rätsel des Universums gelöst…