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

Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen WS 2004/2005

Das Standardmodell der Teilchenphysik

29.10.2004


Teilchenzoo? Ja!!!


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)


Inhaltsübersicht:

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


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)


Elementarteilchen: Fermionen


Austauschteilchen: Bosonen


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


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


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.


Wechselwirkungsprozesse

• Energieerhaltung• Impulserhaltung• • • Leptonzahlerhaltung• Baryonzahlerhaltung

2mcE 2

Et

Bei allen Wechselwirkungen gilt insbesondere:


Wechselwirkungen koppeln an Ladungen:

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

- Verschiedene Kopplungskonstanten, Reichweiten, Wirkungsquerschnitte


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


Elektromagnetische WechselwirkungQuantenelektrodynamik

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

- Photoeffekt, Rutherfordstreuung, Comptoneffekt,


Elektromagnetische Wechselwirkung

Paarerzeugung

„Schleifen“

e

e

e

e

Elektronenstreuung


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



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



Zerfall eines Myons über schwache WW.

Elektron-Neutrino-Steuung über schwache WW


Schwache WechselwirkungB: von Hardronen

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

-Quarks können sich dabei in leichtere Quarks umwandeln


Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen

Quark-Antiquark-Reaktionüber schwache WW


Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen

Beta-Zerfall über schwache WW


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


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,


Starke Wechselwirkung

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

-Glueballs nach außen Farbneutral



-bindet 2 (Mesonen) Quarks

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

qq,

q

q

q

q

q

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



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



-Mesonen nicht sehr stabil,

-zerfallen über schwache WW

-Baryonen zerfallen in leichtere

Baryonen, bis hin zum Proton

(z.B.Neutron in Proton)

s810

Pionzerfall



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

Neue Mesonen können entstehen.


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


Experimente zur Teilchenphysik

-Höhenstrahlexperimente: Ballon, Boden

-Collider-Experimente:Linear, Ring

-Experimente mit Kernstrahlung

Allg.: „Beobachtung“ der Teilchen durch geeignete

Detektoren


Bsp: Large Hardron collider (LHC) am CERN


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




Bsp: CMS-Detektor






Grenzen des Standardmodells

Wieso haben die Teilchen Masse?

Kopplungskonstanten bei hohen Energien?

Leptonzahlerhaltung bei Neutrinooszillationen?

Supersymmetrische Teilchen?

Dunkle Materie?

Warum drei Familien?


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


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

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