Standardmodell der Teilchenphysik
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Standardmodell der Teilchenphysik Eine Übersicht Bjoern Walk [email protected] 30. Oktober 2006 / Seminar des fortgeschrittenen Praktikums Gliederung Grundlagen Teilchen Früh entdeckte Teilchen Spektrum der Elementarteilchen Bausteine der Bausteine Kräfte Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Zusammenfassung Gliederung Grundlagen Teilchen Früh entdeckte Teilchen Spektrum der Elementarteilchen Bausteine der Bausteine Kräfte Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Zusammenfassung Klärung einiger wichtiger Begriffe I Wirkungsquerschnitt als Wert für die Häufigkeit eines Prozesses R = σ · j · ns I Zerfallsbreite und Lebensdauer Γ= ~ τ Gliederung Grundlagen Teilchen Früh entdeckte Teilchen Spektrum der Elementarteilchen Bausteine der Bausteine Kräfte Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Zusammenfassung ”Lego-Prinzip“ Bausteine der Atome Elektron I Thomson (1897) I negativer Ladungsträger I me = 511keV/c 2 Bausteine der Atome Elektron I Thomson (1897) I negativer Ladungsträger I me = 511keV/c 2 Proton I notwendiger positiver Ladungsträger, da Atome neutral sind I mp = 938.27MeV/c 2 ≈ 2000 · me Bausteine der Atome Elektron I Thomson (1897) I negativer Ladungsträger I me = 511keV/c 2 Proton I notwendiger positiver Ladungsträger, da Atome neutral sind I mp = 938.27MeV/c 2 ≈ 2000 · me Neutron I Isotopie ⇒ Baustein ohne Ladung I mn ≈ mp Positron Abbildung: Anderson, 1933 I Identifikation als Antiteilchen zum Elektron I Bestätigung der Dirac-Theorie Teilchenzoo I Energie-Masse-Beziehung ermöglicht die Erzeugung einer Vielzahl von Teilchen Klassifikation der Teilchen I Systematik ähnlich dem Periodensystem I nach Masse naheliegend I später nach Substruktur und unterliegender Wechselwirkung Quarks I Materie-Bausteine I theoretisch postuliert I durch tief-inelastische Elektronstreuung am Nukleon bestätigt I unterscheidbares Antiteilchen Leptonen, leichte Teilchen I punktförmig I unterscheidbares Antiteilchen νe 6= νe I treten jeweils paarweise auf ⇒ Erhaltungsgrösse (Leptonenzahl) Mesonen, mittelschwere Teilchen I bestimmte Mesonen (z.B. Kaonen) nur paarweise beobachtet ⇒ Strangeness, ... I η, ρ+ sehr kurzlebig I Mesonen zerfallen meist in leichtere Mesonen I π + zerfällt in Leptonen Baryonen, schwere Teilchen I Proton und Neutron als verschiedene Zustände des Nukleons I mit Ausnahme des Protons durchweg instabil Teilchenfamilien Gliederung Grundlagen Teilchen Früh entdeckte Teilchen Spektrum der Elementarteilchen Bausteine der Bausteine Kräfte Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Zusammenfassung Phänomenologie der Wechselwirkung Feynman-Diagramme I Visualisierung von quantenmechanischen Prozessen I reale Teilchen erfüllen E 2 = p 2 c 2 + m2 c 4 I innerhalb des Diagramms können virtuelle Teilche erzeugt werden I Diagramme werden aus Störungstheorie entwickelt Elektromagnetische Wechselwirkung Beschreibung I Phänomene lange bekannt I Vereinigung von Elektrizität und Magnetismus (Maxwell) I Elektrodynamik als wichtigstes Beispiel einer relativistischen Feldtheorie I mikroskopischer Bereich: QED Elektromagnetische Wechselwirkung Eigenschaften I wirkt auf alle elektrisch geladene Teilchen I Austauschboson γ masselos, ohne eigene Ladung I Unschärferelation → unendliche Reichweite I Kopplungskonstante α ≈ 1/137 Schwache Wechselwirkung Beschreibung I β-Zerfall als erstes Phänomen (Bequerel 1896), erklärt als Umwandlung von Kernen (Rutherford) n → p + e − + νe I keine klassische Entsprechung I nach Vorbild der Elektrodynamik: feldtheoretische Beschreibung möglich Schwache Wechselwirkung Eigenschaften I wirkt auf Leptonen und Quarks I Austauschbosonen (W ± , Z 0 ) massebehaftet, ohne eigene Ladung I extrem kurze Reichweite (≈ 10−15 cm) I kleine Wirkungsquerschnitte I lange Prozessdauer I Kopplungskonstante G = 1.02 · 10−5 /mp2 β-Zerfall I Drehimpulserhalt ⇒ Dreikörperprozess I Pauli postuliert νe (1930) I Feynman-Graph kann reduziert werden d → u + e − + νe I schwache Wechselwirkung kann Quarkflavour ändern Starke Wechselwirkung Beschreibung I Kern aus geladenen Protonen ⇒ Stabilität erfordert weitere Kraft I auf Basis der Kerne Austausch von π-Mesonen (Yukawa) I fundamentaler: Wechselwirkung zwischen Quarks Starke Wechselwirkung Eigenschaften I Ladung: Farbe (rot, grün, blau) und jeweilige Antifarbe I Austauschteilchen (8 Gluonen) masselos, tragen selbst Farbladung I Reichweite (≈ 10−13 cm) I Kopplungskonstante αs stark energieabhängig Bemerkungen zur Farbe I Quarks sind in der Natur nicht frei beobachtet I benötigte Energie zur Trennung zweier Quarks erzeugt Quark-Antiquark-Paar I freie Teilchen müssen farbneutral sein Gliederung Grundlagen Teilchen Früh entdeckte Teilchen Spektrum der Elementarteilchen Bausteine der Bausteine Kräfte Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Zusammenfassung Übersicht Offene Fragen I Nur drei Teilchenfamilien? I Erklärung der Massen durch Higgs-Mechanismus? I Vier Wechselwirkungen? Vereinheitlichung? I Substruktur der elementaren Teilchen? I Gravitation? Quellenangaben I http://pdg.lbl.gov/, The Particle Data Group I K. Bethge, U.E. Schröder, Elementarteilchen und ihre Wechselwirkung I Povh, Rith, Scholz, Zetsche, Teilchen und Kerne I http://wikipedia.org, Die freie Enzyklopädie I http://wswww.physik.unimainz.de/lehramt/lehrsystem/Inhalt.html, Lehr- und Lernsystem zur Teilchenphysik I http://teilchenphysik.org, Teilchenphysik Deutschland I http://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory.html, SLAC Virtual Visitor Center
