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

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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