Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I Vorlesung 17 14.01.2014

Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I
Vorlesung 17
14.01.2014
Teilchenphysik:
fundamentale Teilchen
und Wechselwirkungen
Theoretische Grundlagen der Teilchenphysik
Die Teilchenphysik war wegführend in der Entwicklung des
sogenannten Standard-Modells, welches das Ziel hat, die Welt auf
fundamentalstem Niveau zu beschreiben.
Theoretische Grundlagen der Teilchenphysik
Quantenmechanik (Heisenberg, Schrödinger, Dirac, …, 1920er Jahre)
Spezielle Relativitätstheorie
(Einstein, 1905)
Moderne Theorien in der Teilchenphysik: Quantenfeldtheorie (QFT)
Erwin Schrödinger
Werner Heisenberg
Lorentzinvarianz
Quantisierte Felder (also: Felder =
quantenmechanische Operatoren)
Physikalische Teilchen = Anregungen
(Quanten) der Felder
Paul A. M. Dirac
Albert Einstein
[nobelprize.org]
Theoretische Grundlagen der Teilchenphysik
Dirac: Teilchen und Antiteilchen
If we accept the view of complete symmetry between positive and
negative electric charge so far as concerns the fundamental laws
of Nature, we must regard it rather as an accident that the Earth
(and probably the whole solar system) contains a preponderance
of negative electrons and positive protons. It is quite possible that
for some of the stars it is the other way about, those stars being
built up mainly of positrons and negative protons. In fact, there
may be half the stars of each kind. The two kinds of stars would
both show exactly the same spectrum, and there would be no
way to distinguishing them by present astronomical methods. -
May 1931
C symmetry should be accepted as a first principle
Dirac Nobel lecture, 1933
Teilchen und Antiteilchen
Jedes Teilchen besitzt ein Antiteilchen
Einige Eigenschaften sind entgegengesetzt (z.B. Ladung).
Manchmal ist das Teilchen sein eigenes Antiteilchen (z.B. π0).
(→ Quarkzusammensetzung)
Einige Antiteilchen haben ihren eigenen Namen (z.B. Positron: e +).
Andere Antiteilchen werden mit einem Strich markiert (e.g. p ).
Wie beobachtet man Antiteilchen?
E = mc2
Albert Einstein
Umwandlung von Masse in Energie
m
E
Kernfusion
Die Teilchen verschwinden nicht, sondern werden
nur leichter.
Der umgekehrte Prozess:
m
E
Umwandlung von Energie in Materie.
Eine Energieform ist Bewegungsenergie.
Beschleunigung von Teilchen führt zu
Bewegungsenergie.
Ekin + 9 eV
(Bewegungs-)Energie erzeugt
(Teilchen-)Masse
E = mc2
Antimaterie Produktion
Wenn hochenergetische Teilchen
kollidieren, geht 50% aller neu
erzeugten Masse in Antimaterie
Ich kann ein Teilchen nur mit seinem “Negativ” dem Antiteilchen - erzeugen oder vernichten.
(Anti)-Materie ist die effektivste Form von
Energiespeicherung, denn sie vernichtet sich
zusammen mit Materie zu reiner Energie.
Experimentelle Entdeckungen
1960er Jahre: Ein ganzer Teilchen-Zoo
Entdeckung vieler weiterer „Elementarteilchen”,
Klassifizierung der Teilchen
Klassifikationsschema benötigt (analog zu Mendeleevs Periodensystem der
Elemente):
Bausteine der “Elementarteilchen”: Quarks (Gell-Mann, 1964)
Fundamentaldarstellung der Flavor-SU(3):
3 Quarks (u = up, d = down, s = strange)
Multipletts von Mesonen und Baryonen: Darstellungen der Flavor-SU(3)
Mesonen sind Kombinationen aus Quarks und Antiquarks
Baryonen bestehen aus 3 Quarks (Beispiel: Nukleonen)
→
für Baryonen gilt eine Erhaltungszahl
Substruktur nicht-elementarer Teilchen
Quark-Hypothesen-Bestätigung
durch tief-inelastische
Streuexperimente
von Leptonen an Protonen:
Substruktur nicht-elementarer Teilchen
Theoretische Interpretation:
•Substruktur = „Partonen”
Richard Feynman
d.h. punktförmige Spin-1/2-Teilchen (Feynman, 1969)
Partonen = Quarks (Bjorken, Paschos, 1969)
James Bjorken
Emmanuel Paschos
Eigenschaften von Quarks
Zusammengesetzte Teilchen (z.B. p,n,π) bestehen aus Quarks.
Quarks sind die fundamentalen Teilchen.
Quarks existieren in 3 Generationen mit 6 “flavors”:
Flavors:
u,d,c,s,t,b
1. Generation 2. Generation 3. Generation
Bildquelle: Wikipedia
Eigenschaften von Quarks
mu ~ 5 MeV/c2
md ~ 8 MeV/c2
ms ~ 150 MeV/c2
mc ~ 1300 MeV/c2
mb ~ 4200 MeV/c2
mt ~ 174000 MeV/c2
Quarks sind Fermionen (Spin 1/2).
Quarks besitzen sehr
unterschiedliche Massen:
Quarks besitzen Drittelladung: +2/3 and -1/3.
Antiquarks haben den gleichen Spin aber entgegengesetzte Ladung.
Freie Quarks wurden noch nie beobachtet.
Materie: Kombinationen von
qq
Meson
qqq
Baryon
Eigenschaften von Quarks
mu ~ 2 MeV/c2
md ~ 5 MeV/c2
ms ~ 95 MeV/c2
mc ~ 1300 MeV/c2
mb ~ 4200 MeV/c2
mt ~ 174000 MeV/c2
Masse der Top-Quarks
entspricht ≈
Kernasse 197Au
Proton (grau) und Elektron (rot)
Proton (uud)
(2 + 2 + 5) MeV/c2 → 938 MeV/c2
mehr dazu später
Eigenschaften von Leptonen
Leptonen sind strukturlose punktförmige Teilchen.
Leptonen existieren in 3 Generationen mit 6 “Flavors”:
1. Generation 2. Generation 3. Generation
geladen
ungeladen
Bildquelle: Wikipedia
Eigenschaften von Leptonen
Die Leptonenfamilien werden durch die Leptonenzahl unterschieden.
e- und νe: Le = +1 ; Lµ, Lτ = 0
µ- und νµ: Lµ = +1 ; Le, Lτ = 0
τ - und ντ: Lτ = +1 ; Le, Lµ = 0
e+ und νe: Le = -1 ; Lµ, Lτ = 0
µ+ und νµ: Lµ = -1 ; Le, Lτ = 0
τ + und ντ: Lτ = -1 ; Le, Lµ = 0
Die Leptonenzahl ist immer erhalten (experimentelle Tatsache).
µ– → e – ν e νµ
τ – → µ– νµ ντ
Die Suche nach der Verletzung der Leptonenzahl:
µ– → e – e + e –
µ– → e – γ
Keine Verletzung auf einem Niveau von 10-11 - 10-12.
Weitere Erhaltungsgrößen
Die fundamentalen Teilchen (Quarks, Leptonen) haben Spin 1/2
Fermionen: Spin 1/2 Teilchen, folgen der Fermistatistik
Bosonen: Ganzzahlige Spinteilchen, folgen Bosestatistik
Einzelne Fermionen können weder erzeugt noch zerstört werden.
(Erhaltungsssatz)
Fermionen werden zusammen mit Antifermionen erzeugt oder zerstört.
Fermionzahl +1
Fermionzahl -1
Die Baryonenzahl ist erhalten.
Mesonenzahl nicht, da Mesonen immer Fermion-Antifermion-Paar
Die fundamentalen Teilchen im Standardmodell
Bildquelle: Wikipedia
Die fundamentalen Kräfte im Standardmodell
γ
Elektromagnetische Kraft
Schwache Kraft
p + p → d + e+ + ν e
Starke Kraft
Gravitation
Die fundamentalen Kräfte im Standardmodell
Die Naturgesetze lassen sich durch nur 4
Wechselwirkungen beschreiben.
Gravitation
Wirkt auf alle Teilchen mit Masse
~ Masse der Teilchen
sehr schwach für m ~ 10-30 kg
Findet keine Berücksichtigung in der Kern- und Teilchenphysik.
Makroskopisch dominant:
unendliche Reichweite
nicht abschirmbar (keine “Antimasse”)
Die fundamentalen Kräfte im Standardmodell
Die Wechselwirkung zwischen Teilchen
Welle
Teilchen
Kraftfelder
Teilchen
(Eichbosonen)
=
elektromagnetisches Feld
γ
Die fundementalen Kräfte im Standardmodell
Beispiel: elektromagnetische Wechselwirkung durch Austausch von Photonen
Eichboson: Photon.
Wechselwirkung zwischen
geladenen Teilchen.
Auf die starke und schwache Wechselrikung wird im Folgenden näher eingegangen.
Starke Wechselwirkung
Die fundamentalen Teilchen der starken Wechselwirkung sind Quarks und
Gluonen.
Starke Wechselwirkung
Wenn man beobachtete Teilchen nach ihrem Quarkinhalt im Rahmen des
Quarkmodells klassifiziert, so gibt es Teilchen, die 3 gleiche Quarks
enthalten:
z. B. Δ- Baryon: Quarkinhalt |ddd>
Ω– Baryon: Quarkinhalt |sss>
Die Quarks (als Fermionen) müssen sich jedoch in mindestens einem
Freiheitsgrad unterscheiden ( es sind aber nur 2 Spineinstellungen
möglich).
➥ eine neue weitere Quantenzahl wird benötigt
Starke Wechselwirkung
Fritzsch, Gell-Mann, Leutwyler (1973):
Farb-SU(3)
Starke Wechselwirkung als SU(3)-Eichtheorie fur̈ Quarks
Austauschteilchen: 8 Gluonen
Quarks und Gluonen tragen „Farbladung”
→ Quantenchromodynamik (QCD)
Bei niedrigen Energien: „Confinement”→ keine freien Quarks
Starke Wechselwirkung
Wechselwirkung zwischen Farbladungen.
Hält die Quarks zusammen und ist Quelle der Kernkraft.
Ist deutlich stärker als die elektromagnetische WW:
Eichbosonen: 8 Gluons mit Farbe und Antifarbe als Ladungen
Starke Wechselwirkung
Bildquelle: Wikipedia
Trennung von Quarks
Feldenergie ~ ∫ |Feld|2 dV
V~d
Aufbrechen der Feldlinien
und
Erzeugung eines neuen qq Paars
Confinement: freie Quarks werden nicht beobachtet.