Auf der Suche nach den kleinsten Dingen

Auf der Suche nach den kleinsten Dingen Die Entdeckung der Elementarteilchen
Öffentlicher Abendvortrag
von Siegmund Brandt
Fachbereich Physik der Universität Siegen
1
20. Juni 2000
Historische Vorbemerkungen
Naturbeschreibung und Naturerkenntnis
war und ist ein wichtiges Ziel der Menschen in allen Kulturen
Objekte der Naturbeschreibung
! handgreifliche Größe: Menschen, Tiere, Pflanzen, Mineralien ...
! ganz große: Sternhimmel, d.h. Astronomie
! ganz kleine: Aufbau der Materie, d.h. Elementarteilchenphysik
2
Vorstellungen im klassischen Griechenland
Astronomie (nach Anaximander)
Die Planeten (zu denen auch Sonne und Mond gezählt wurden) und die Fixsterne sind auf
Kugeln aus durchsichtiger Materie angebracht, in deren Mitte sich die Erde befindet. Die
Durchmesser der Kugeln verhalten sich zueinander wie die Tonhöhen in musikalischen
Harmonien,
z.B. 1 : 2 : 3 : 4 : 8 : 9 : 27 (Platon)
Materie (nach Demokrit)
! Es gibt nur wenige Grundsubstanzen (Elemente).
! Die Materieformen sind entweder die reinen Elemente oder Mischungen aus Elementen.
! Die Elemente sind Erde, Wasser, Feuer, Luft.
! Die Elemente bestehen aus Atomen, kleinsten unteilbaren Bausteinen.
! Die Atome der 4 Elemente haben die Formen der 4 einfachsten Körper der
Geometrie: Kugel, Würfel, Tetraeder, Oktaeder.
! Sie sind durch Häkchen miteinander verbunden.
Beiden Bildern (dem vom Sternhimmel und dem von der Materie) ist gemeinsam:
Versuch der Beschreibung durch mathematische Symmetrien.
Sie werden aber nicht aus der Beobachtung des Naturobjekts abgelesen, sondern aus anderen
3
Quellen (Musik, Geometrie) entnommen. Damit bleiben diese Vorstellungen
reine Spekulationen.
Beginn der modernen Naturwissenschaft
im 16. Jahrhundert, ist gekennzeichnet durch
● sorgfältig geplante Experimente und Beobachtungen
● mathematische Beschreibung auf der Grundlage der Meßergebnisse
● Vorhersagekraft der gefundenen Beschreibungen für weitere
Experimente
Galilei (1564-1642)
erforscht die Schwerkraft
Kepler (1571-1630)
findet präzise Gesetze zur Planetenbewegung
Newton (1643-1727)
formuliert die Gesetze der Mechanik.
Er kann aus ihnen die Keplerschen Gesetze
berechnen, wenn er als Kraft zwischen Sonne
und Planeten die Schwerkraft annimmt.
Planet
Schwerkraft
Sonne
Bahn des Planeten
4
Atome - Ergebnisse chemischer Experimente
Elemente und Verbindungen
Nicht weiter zerlegbare Substanzen sind Elemente,
z.B. Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Sauerstoff (O)
Elemente bilden Verbindungen.
Atomhypothese
Elemente bestehen aus völlig gleichwertigen Atomen.
Verbindungen bestehen aus Molekülen, die nach gleichem Bauplan aus Atomen
aufgebaut sind, denn bei Bildung von Verbindungen binden sich die
Elemente in festen Massenverhältnissen.
Beispiel: In Wasser ist das Massenverhältnis von Wasserstoff zu
Sauerstoff 2:16, in Wasserstoffsuperoxid 2:32
Atomare Massenzahl (früher: Atomgewicht)
Aus diesen Massenverhältnissen läßt sich die Masse m jedes Atoms durch die Masse
mH des Wasserstoffatoms ausdrücken: m = A mH
Beispiele: AH = 1, AC = 12, AN = 14, AO = 16, ...
5
Periodisches System der Elemente
Zuerst aufgestellt 1869 von Mendeléev, ordnet Elemente nach atomarer Massenzahl
und chemischer Ähnlichkeit.
6
Atome - Ergebnisse physikalischer Experimente
Experiment
Ein Gas in einem Gefäß verhält sich, als ob es aus einer großen Zahl kleinster starrer
Kugeln bestünde, die miteinander und mit den Gefäßwänden Stöße ausführen.
Bei Wärmezufuhr wächst
Volumen. (Deckel hebt sich)
Bei stärkerem Rütteln (Energiezufuhr)
steigt Volumen.
Kinetische Gastheorie
Die mittlere Energie der Atome (oder Moleküle) des Gases ist proportional zur
(absoluten) Temperatur.
Avogadrosche Zahl
(oder Loschmidtsche Zahl, weil zuerst von Loschmidt bestimmt)
In A Gramm eines Elements der atomaren Massenzahl A (z.B. 1 g Wasserstoff oder
12 g Kohlenstoff) befinden sich NA = 6,022 ⋅ 1023 Atome.
7
Damit hat das Wasserstoff-Atom die Masse mH = 1,673 ⋅ 10-27 kg
Atome - Optische Spektren
Spektralanalyse (Bunsen und Kirchhoff 1860)
Wenn Elemente stark erhitzt werden (z.B. in der Bunsenflamme, senden sie Licht
charakteristischer Farben (Wellenlängen) aus, die als Spektren gemessen werden
können.
Bei höherer Auflösung: zwei gelbe Linien
Natrium
Wasserstoff
Helium
Neon
Rot: Wellenlänge groß
Blau: Wellenlänge klein
Da Licht eine Wellenerscheinung ist, müssen die Atome bei deren Aussendung
irgendwie „schwingen“ (wie eine Gitarrensaite bei der Aussendung von Schallwellen).
Atome können keine starren Kugeln sein.
8
Atome - elektrisch neutral und geladen
Stromtransport in Flüssigkeiten, Elektrolyse (Faraday 1833)
Beim elektrischen Strom in Flüssigkeiten tritt Ladungstransport und
Materietransport auf:
Die Atome oder Moleküle sind
elektrisch geladen. Die kleinste
Ladungsmenge ist die
Elementarladung: e = 1,602 ⋅ 10-19
Coulomb
Geladene Atome heißen Ionen. Sie tragen
eine oder mehrere (positive oder negative)
Elementarladungen.
An den Elektroden (den Metallplatten in der Flüssigkeit, die mit der Spannungsquelle
verbunden sind) treten die Atome oder Moleküle ungeladen auf,
9
z.B. als metallisches Kupfer.
Experiment zu Gasentladung
Zur Pumpe
Bei Normaldruck fließt kein Strom.
Bei Druckerniedrigung setzt Stromfluß und Leuchterscheinung zwischen den Elektroden ein.
Bei weiterer Druckminderung geht das Leuchten zurück. Durch Löcher in den Elektroden treten
Kathodenstrahlen und Kanalstrahlen in die äußeren Teilräume ein. Sie bringen das Gas auf
ihrem Weg zum Leuchten.
Kathodenstrahlen: Elektrisch negativ geladen. Magnetisch leicht ablenkbar. Erzeugen
Leuchtfleck auf Glas, von dem auch Röntgenstrahlung ausgeht. (Wurde in ähnlichem
Experiment 1896 von Röntgen entdeckt.
Kanalstrahlen: Positiv geladen. Nur durch starkes Magnetfeld ablenkbar.
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Geladene Teilchen in Feldern
Kraft
Kraft
!
!
Fe auf Teilchen der Ladung Q im elektrischen Feld E
!
!
(Kraft in Richtung des Feldes)
!Fe = QE
!
!
Fm auf Teilchen mit Geschwindigkeit v im magnetischen Feld B
!
! !
Fm = Qv × B (Kraft senkrecht zur Geschwindigkeit und senkrecht zum Feld)
Energiegewinn im elektrischen Feld
Wegen der Richtung der Kraft geschieht Übertragung von Energie auf Teilchen nur im
elektrischen Feld. Bei Durchlaufen der elektrischen Spannung U gewinnt ein Teilchen
mit der Ladung Q die Energie
E=QU
Beispiel: Für Q = e, U = 1V ist E = 1 eV = 1 Elektronenvolt = 1,602 ⋅ 10-19 Ws
1 MeV = 1 Million Elektronenvolt, 1 GeV = 1 Milliarde Elektronenvolt
11
Entdeckung des Elektrons
1897 stellten Wiechert, Kaufmann und J.J. Thomson unabhängig voneinander
durch Vermessung des Einflusses von elektrischen und magnetischen Feldern
auf Kathodenstrahlen fest: Kathodenstrahlen bestehen aus Teilchen der Masse
1
me ≈
mH ,
2000
wenn man annimmt, daß sie die Ladung -e besitzen. Diese Teilchen erhielten
den Namen Elektronen.
Ergebnis: Das Atom kann zerlegt werden. Eines seiner Bausteine ist das
Elektron. Seine Masse ist nur etwa 1/2000 der Masse des leichtesten
Atoms.
Kanalstrahlen sind positiv geladene Ionen, d.h. Atome oder
Moleküle, denen ein oder mehrere Elektronen fehlen.
12
Thomsons Apparatur
m v⊥
R=
|e| B
Joseph J.
Thomson
(1856 - 1940)
Nobelpreis 1906
Fadenstrahlrohr
Elektronenleitung im Metall. Glühemission
Freies Elektronengas
Kristalle sind ein räumliches Netzwerk (Gitter) aus regelmäßig angeordneten Atomen. In Metallkristallen gibt es Elektronen, die sich wie ein
Gas durch das ganze Gitter bewegen können. Sie bewirken den
Ladungstransport (elektrischen Strom), scheinbar ohne Transport von
Materie.
Glühemission
Durch Heizung eines
Metalldrahtes erhalten
Elektronen so viel
Energie,
daß sie den Draht verlassen können. Man kann
sie dann beschleunigen,
ablenken usw.
Beispiel: Fernsehröhre
14
Ionisation und Anregung von Atomen durch
geladene Teilchen
sind Grundlage für den Bau von Nachweisgeräten (Teilchendetektoren)
Elektronen oder Ionen zerlegen
beim Durchlaufen von Materie
die Atome in Elektronen und
Ionen (Ionisation) oder regen sie
zum Leuchten an (Anregung).
Das ausgestrahlte Licht kann
entweder direkt beobachtet
werden
(z.B. Leuchtschirm der Fernsehröhre), photographisch registriert
oder elektrisch verstärkt und
registriert werden.
Prinzip eines Zählrohres:
Teilchen ionisiert Gas im Zählrohr.
Elektronen laufen zum zentralen Draht. In
dessen Nähe ist Feld so hoch, daß eine
Ionisationslawine einsetzt. Damit bewirkt der
Durchgang eines Teilchens, daß sehr viele
Elektronen auf den Draht gelangen und dort
einen elektrischen Impuls auslösen.
15
Plancksches Wirkungsquantum. Photon
1900
Planck führt (zur Beschreibung der Strahlung des „schwarzen
Körpers“ eine neue Naturkonstante ein, das Plancksche
Wirkungsquantum
h = 6,626 · 10-34 Js
Max Planck
(1858 - 1947)
Nobelpreis 1918
1905
Einstein stellt die Lichtquantenhypothese auf:
Albert Einstein
(1879 - 1955)
Nobelpreis 1921
Licht der Wellenlänge λ besteht aus Quanten (Photonen) der
Ruhmasse
m=0
und der Energie
E=hν.
Dabei ist ν = c / λ die Frequenz des Lichtes und c = 3 · 108 m/s
die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
16
Lichtelektrischer Effekt
1916
Millikan bestätigt die Lichtquantenhypothese experimentell durch
Präzisionsmessungen zum lichtelektrischen Effekt.
Robert A. Millikan
(1868 - 1953)
Nobelpreis 1923
Bei Bestrahlung einer Metalloberfläche
mit Licht der Wellenlänge λ , d.h der
Frequenz ν = c / λ , werden aus dem
Metall Elektronen der Energie E = hν
ausgelöst. Sie bewirken einen Strom, es
sei denn es wird eine Gegenspannung
angelegt, die größer als
Us =
−W
hν − W h(ν − ν 0 )
=
e
e
ist. Dabei ist W eine für das Metall
charakteristische Konstante.
17
Radioaktivität
1896
Becquerel entdeckt die Radioaktivität:
Uran-Verbindungen schwärzen die Photoplatte und
ionisieren die Luft
Antoine H. Becquerel
(1852 - 1908)
Nobelpreis 1903
Dabei treten drei Arten von Teilchen („Strahlung“)
auf:
α - Teilchen : Helium-Ionen
der Ladung 2e
β - Teilchen : Elektronen
(Ladung -e)
γ - Teilchen : energiereiche Photonen
(ungeladen)
18
Nebelkammer
1911
Wilson entwickelt die Nebelkammer. In überhitztem Dampf
hinterlassen geladene Teilchen Spuren aus Tröpfchen.
C.T.R. Wilson
(1869 - 1959)
Nobelpreis 1927
Nebelkammerbild der Spuren von α-Teilchen
19
Spezielle Relativitätstheorie
1905
Ausgehend von dem Befund, daß die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in
jedem Bezugssystem den gleichen Wert
c = 2,998 · 108 ms-1
hat, gibt Einstein die Beziehung
E2 = p2 c2 + m2 c4
an. Dabei sind
E Energie
p Impuls
m Ruhmasse
eines Teilchens.
Für ein ruhendes Teilchen (p = 0) gilt E = m c2
bzw. m = E / c2
Weitere Einheit der Masse: 1 eV / c2 . Masse des Elektrons 0,5 MeV / c2
20
Energiequelle der Radioaktivität
Einstein vermutet, daß diese Energie-Massen-Beziehung das Auftreten
energiereicher Teilchen in der Radioaktivität erklärt:
Beim Zerfall eines ruhenden Teilchens der Masse M in zwei Teilchen
der Massen m1 und m2 wird die Massendifferenz
∆ M = M - (m1 + m2)
in Bewegungsenergie
M
∆ E = ∆ M c2
der Zerfallsteilchen umgewandelt.
m1
m2
α-Teilchen besitzen Energien von
ca. 5 MeV (Millionen Elektronenvolt).
21
Atomkern
Elektronen tragen negative Ladung und
nur ca. 1/2000 der Atommasse.
Es lag nahe, anzunehmen, daß Masse
und positive Ladung gleichmäßig über
das Atom (Durchmesser ca. 10-10 m)
verteilt sind.
1911
Rutherford erklärt die
Ernest Rutherford
(1871 - 1937)
Nobelpreis 1908
in seiner Gruppe
beobachtete
sehr starke Ablenkung
von α-Teilchen beim
Durchgang durch
Goldfolie dadurch,
daß die positive
Ladung und die Masse
in einem sehr kleinen
Atomkern konzentriert
sind.
Bahnen von α-Teilchen bei punktförmigem Kern
Bahnen bei ausgedehntem Atomkern22
Schema eines Streu-Experiments
Teilchennachweis
energiereiche
Teilchen
Detektor
Target (Materie)
Teilchenquellen
Teilchendetektoren
Radioaktivität
Höhenstrahlung
Teilchenbeschleuniger
Leuchtschirm, Szintillator
Zählrohr
Nebelkammer, Blasenkammer
Photo-Emulsion
elektronische Spurenkammer
23
Atom-Modell von Bohr und Sommerfeld
1913
Bohr erklärt das Spektrum des Wasserstoff-Atoms:
Niels Bohr
(1885 - 1962)
Nobelpreis 1922
Das Atom hat einen Kern der Ladung +e. Um ihn kreist ein
Elektron der Ladung -e. Es sind nur bestimmte Kreisbahnen
„erlaubt“.
Sie unterscheiden sich in der Hauptquantenzahl n = 1,2,3,... .
Je kleiner n , desto niedriger die Energie. Beim Übergang
zwischen zwei Bahnen wird ein Lichtquant mit der
Differenzenergie emittiert oder absorbiert.
1916
Sommerfeld erweitert das Modell. Er „erlaubt“ auch
verschiedene Ellipsenbahnen, die sich (bei gleichem n) durch die
Drehimpuls-Quantenzahlen " und m unterscheiden. Der
Bahndrehimpuls des Elektrons hat den Betrag
L = " $, " = 1,2,#, n.
$ = h / 2π ist die kleinste Einheit des Drehimpulses. Die
Quantenzahl m (= −", − " + 1, # , ") gibt die Orientierung der
Bahn im Raum an.
Ellipsenbahnen aus
Sommerfelds Lehrbuch
Atombau und Spektrallinien
24
Spin
1925
Goudsmit und Uhlenbeck erklären die „Feinstruktur“ der Spektren (z. B.
die Aufspaltung der gelben Natriumlinie) dadurch, daß sie dem Elektron nicht
nur einen Bahndrehimpuls, sondern auch einen Eigendrehimpuls oder Spin
zuordnen.
(Die Erde dreht sich auf ihrer Bahn um die Sonne. Zusätzlich dreht sie sich um
sich selbst.)
Der Betrag des Elektronenspins ist
1
S= $
2
Er kann zwei Orientierungen haben, die durch
ms = ±
1
2
gekennzeichnet werden.
25
Erklärung des Periodensystems. Pauli-Prinzip
1913
Bohr: Die Ordnungszahl Z eines Elements (ZH = 1, ZHe = 2, ZLi = 3, ZBe = 4, ...)
ist gleich der Zahl der Elektronen und gleich der Zahl der positiven
Elementarladungen im Kern.
1925
Pauli: Es darf im Atom nicht zwei Elektronen geben, die in
allen 4 Quantenzahlen n, l, m, ms übereinstimmen.
Wolfgang Pauli
(1900 - 1958)
Nobelpreis 1945
● Schale niedrigster Energie n = 1, " = 0, m = 0.
kann maximal 2 Elektronen (ms = 12 , ms = − 12 )
aufnehmen.
H hat 1 Elektron. He hat 2. Nach He beginnt neue Zeile
des Periodensystems mit Li.
● Schale mit n = 2 kann maximal 8 Elektronen aufnehmen.
Zweite Zeile hat 8 Elemente usw.
26
Isotope
um 1920
J.J. Thomson und insbesondere sein Schüler Aston bestimmen
die Massen von Kanalstrahlen (also positiven Ionen) und damit
praktisch die Massen von Atomkernen durch deren Ablenkung im
elektrischen und magnetischen Feld.
F. W. Aston
(1877 - 1945)
Nobelpreis 1922
Ergebnis: Alle Kerne eines Elements haben zwar die gleiche
Kernladungszahl Z. Dabei gibt es gibt Kerne zu gleichem Z
aber verschiedener atomarer Massenzahl A (Isotope).
Beispiele:
Uran (Z = 92):
Isotope (neben anderen) mit A = 235, 238
Wasserstoff (Z = 1): A = 1 (leichter, gewöhnlicher) Wasserstoff
A = 2 schwerer Wasserstoff (Deuterium)
A = 3 Tritium
Annahme:
Kern besteht aus A Protonen (Kerne des gewöhnlichen Wasserstoffs, Masse mH,
Ladung +e) und A - Z Elektronen, hat dann Ladung Q = Ae + (A - Z)(-e) 27
= Ze.
Zwischenbilanz 1925
Es gibt drei Teilchen
e Elektron
p Proton
γ Photon (Lichtquant)
Es gibt zwei Kräfte
● Schwerkraft
● Elektromagnetische Kraft
(hält Atome zusammen, verantwortlich für
alle Erscheinungen der Chemie)
Offene Fragen:
● Es gibt keine befriedigende Theorie („Quantenregeln“ über „erlaubte“ Bahnen
sind nur Notlösung.)
Antwort (noch 1925) : Quantentmechanik
● Welche Kräfte wirken im Atomkern? (Elektrische Kräfte allein würden ihn
platzen lassen.)
Antwort (später) : Es gibt zwei weitere Kräfte.
28
Quantenmechanik
ersetzt Newtonsche Mechanik im atomaren Bereich
Matrizenmechanik
Werner Heisenberg
(1901 - 1976)
Nobelpreis 1932
Wellenmechanik
1925
1926
Heisenberg kann die
Newtonsche Gleichung
formal beibehalten,
wenn er die in ihr
vorkommenden
Größen Ort und Impuls „umdeutet“. (Sie
werden Matrizen.)
Schrödinger ersetzt
Newtonsche
Gleichung durch eine
Wellengleichung
(SchrödingerGleichung).
Erwin Schrödinger
(1887 - 1961)
Nobelpreis 1933
● Die beiden Theorien erscheinen als ganz verschieden, sind aber mathematisch
völlig gleichwertig. Sie kommen ohne künstliche Quantenbedingungen aus.
● In beiden tritt als zentrale Größe das Plancksche Wirkungsquantum h auf.
● Die herkömmliche Vorstellung von Ort und Impuls muß erweitert werden
(Heisenbergsche Unschärfebeziehung).
29
Relativistische Quantenmechanik
1928
Dirac verknüpft Quantenmechanik mit Relativitätstheorie.
Wegen
E 2 = p 2c 2 + m 2c 4
muß es Teilchen mit positiver und negativer Energie geben:
E = ± p 2c 2 + m 2c 4 .
Paul A.M. Dirac
(1902 - 1984)
Nobelpreis 1933
1931
Dirac: Elektron (Ladung -e ) mit negativer Energie verhält sich
wie Teilchen mit der Masse des Elektron, das positive Energie
besitzt, aber die Ladung +e trägt, das Antiteilchen des Elektrons
Er sagt die Existenz eines solchen Teilchens,
des Positrons vorher.
30
Positron
1931
Anderson entdeckt das Positron in einer
Nebelkammer .
Carl D. Anderson
(1905 - 1991)
Nobelpreis 1936
Ein Teilchen mit den Eigenschaften eines
Elektrons (geringe Tröpfchendichte der Spur)
durchläuft die Nebelkammer von unten nach
oben (Flugrichtung aus Energieverlust und damit
Zunahme der Bahnkrümmung bei Durchquerung
des Materials erschlossen). Aus Flugrichtung
und Richtung der Bahnkrümmung im
Magnetfeld folgt:
positive Ladung .
31
Quantenelektrodynamik (QED)
ca. 1940-1950
Feynman, Schwinger, Tomonaga u.a. entwickeln eine Theorie der
Richard Feynman
Wechselwirkung von Ladungen und Photonen (elektromagnetische
Wechselwirkung). Die (komplizierten) Formeln der Theorie lassen sich
aus (einfachen) Feynman-Diagrammen ablesen, die die Bewegung der
Teilchen im Raum (x) und Zeit (t) symbolisieren.
(1918 - 1988)
Nobelpreis 1965
Bremsstrahlung
e- → e- + γ
Kraft zwischen geladenen
Teilchen entspricht
Austausch eines Photons
Paarbildung
γ → e- e+
Positron verhält sich
wie ein rückwärts in
der Zeit laufendes
Elektron
32
Neutron
1932
Chadwick beobachtet ein neutrales Teilchen, das Neutron n ,
das beim Beschuß von Beryllium mit α-Teilchen gebildet wird,
α (A=4, Z=2) + Be (A=9, Z=4) = C (A=6, Z=6) + n
James Chadwick
(1891 - 1974)
Nobelpreis 1935
Nachweis:
Vor Stoß: Proton ruht
n
+ p
Nach Stoß: Neutron ruht (beinahe)
p +
n
Die unbekannten Teilchen werden in einem gasgefüllten Zählrohr untersucht. Enthält es Wasserstoff,
so entstehen hohe Signale. Die neutralen Teilchen
haben offenbar etwa die Masse der WasserstoffKerne (Protonen), stoßen sie an und diese ionisieren
das Gas und lösen ein Signal im Zählrohr aus.
Bei zentralem Stoß kann ein
Neutron fast seine ganze
Energie auf ein Proton
übertragen, weil beide
Teilchen fast die gleiche
Masse haben.
33
Starke Wechselwirkung
Die Kraft, die beim Stoß Neutron-Proton wirkt, kann keine elektrische Ursache
haben, denn das Neutron ist ungeladen. Man vermutet, daß diese neue Kraft der
starken Wechselwirkung den Zusammenhalt des Atomkerns bewirkt.
Neues Bild vom Atomkern:
Kern der Ordnungszahl Z und Massenzahl A enthält
Z Protonen, N = A - Z Neutronen .
Obwohl die positiv geladenen Protonen sich abstoßen, hält die starke Wechselwirkung alle Nukleonen (gemeinsamer Name für Protonen und Neutronen)
zusammen.
Spin der Nukleonen: Nukleonen haben wie Elektronen den Spin
1
2
$ .
Isospin: von Heisenberg eingeführt: Proton und Neutron sind zwei Zustände des
gleichen Teilchens. Es kann zwei verschiedene Ladungen haben, so wie das
Elektron zwei Orientierungen des Spins haben kann.
Isospin
Ausrichtung
I=
1
2
I 3 = ± 12
Spin
S = 12 $
Ausrichtung
ms = ± 12 $
analog zu
34
Mesonen
1934
Yukawa versucht, die starke Wechselwirkung
durch Austausch eines Teilchens zwischen
Nukleonen zu erklären. Wegen der kurzen
Reichweite der starken Wechselwirkung muß
dieses Teilchen eine Masse haben, die zwischen der
Elektronen- und der Nukleonenmasse liegt. Es wird
Meson genannt.
H. Yukawa
(1907 - 1981)
Nobelpreis 1949
1936
Anderson entdeckt in der kosmischen Strahlung
ein geladenes Teilchen in diesem Massenbereich.
Es zeigt keine starke Wechselwirkung. Wird später
Müon µ± genannt.
1947
Powell und Ochialini entdecken in
C.F. Powell
(1903 - 1969)
Nobelpreis 1950
photographischer Emulsion die Spuren von stark
wechselwirkenden, geladenen Mesonen (πMesonen oder Pionen).
Erste Beobachtung eines Pion-Zerfalls in Emulsion. Beim Zerfall
35
entsteht ein Müon.
Neutrino - Schwache Wechselwirkung
Beim β-Zerfall von Atomkernen geht scheinbar Energie verloren. Die
nachgewiesenen Zerfallsprodukte haben weniger Energie als der Ausgangskern.
1930
Pauli postuliert als Ausweg die Existenz eines zusätzlichen neutralen
Teilchens ν , das später (Anti-)Neutrino genannt wurde. Es zeigt
weder elektromagnetische noch starke, sondern nur schwache
Wechselwirkung. Diese ist für den β-Zerfall typisch. Das Neutrino hat
keine (oder nur sehr kleine Masse) und den Drehimpuls 12 $ .
1933
Fermi stellt eine erste Theorie der schwachen Wechselwirkung auf.
Enrico Fermi
(1901 - 1954)
Nobelpreis 1938
Dabei treten Elektron und Neutrino
paarweise auf.
Beispiel:
Zerfall des Neutrons
ν
e-
n
n → p e −ν
p
4-Fermion-Wechselwirkung
36
Zwischenbilanz 1950
Kraft
4 Kräfte:
elektromagnetische
starke
schwache
(Schwerkraft)
Name
3 Teilchenarten:
Hadronen
(Name erst 1962)
Leptonen
Photon
Austauschteilchen
γ
Meson
?
?
Theorie
QED
Yukawa (vorläufig)
Fermi (vorläufig)
Einstein (vorläufig)
Eigenschaften
Teilchen mit starker Wechselwirkung
(und weiteren Wechselwirkungen):
Nukleonen, Mesonen und Antiteilchen.
Teilchen ohne starke aber mit schwacher
Wechselwirkung (und ggf. elektromagnetischer Wechselwirkung:
e − , µ − ,ν und Antiteilchen
hat nur elektromagnetische Wechselwirkung
Offene Fragen: Theorien von Qualität der QED für andere Wechselwirkungen?_
Warum gibt es mehr Hadronen als Leptonen?
Was ist das Müon? (Verhält sich wie schweres Elektron)
37
Teilchenbeschleuniger
Prinzip:
Geladene Teilchen (Elektronen aus Glühkathode oder Ionen, z.B. Protonen aus
Gasentladung), werden durch elektrisches Feld beschleunigt.
Heute werden Energien bis ca. 1 TeV = 1012 eV erreicht.
Linearbeschleuniger:
Energie wird in Teilschritten
von vielen
Beschleunigerstrecken,
die hintereinander liegen,
zugeführt.
Ablenkmagnete
Kreisbeschleuniger:
Magnetfelder führen Teilchen auf Ringbahn.
Beschleunigungsstrecken werden oft
durchlaufen.
38
Blasenkammer
1953
Glaser entwickelt die Blasenkammer: In einer überhitzten Flüssigkeit
hinterläßt ein geladenes Teilchen eine Spur aus kleinen Blasen, die genau
vermessen werden kann.
Donald Glaser
(1926- )
Nobelpreis 1960
Beim Stoß eines Photons hinreichend hoher Energie
mit einem Atomkern können ein Elektron und ein
Positron entstehen.
In diesem Blasenkammerbild kommt das Photon von
rechts. Die Kammer befindet sich in einem Magnetfeld.
Elektron und Positron hinterlassen Spuren mit
verschiedenen Krümmungsvorzeichen.
39
V-Teilchen
1947
Rochester und Butler entdecken
neutrale und geladene Teilchen, die nach
dem Erscheinungsbild, das ihr Zerfall in
der Nebelkammer hinterläßt, „V“-Teilchen
genannt werden.
Heißen heute K0, K+ .
In der Folge werden weitere V-Teilchen
entdeckt:
K - , Λ 0 , Σ+ , Σ- , Σ0 .
Ein neutrales Teilchen (K0) (das
keine Spur hinterläßt) zerfällt in
zwei geladene Teilchen (π+ , π- ),
deren Spuren in der Nebelkammer
vom Zerfallspunkt ausgehen und ein
„V“ bilden.
40
Neue Hadronen
Ab ca. 1950 werden viele weitere Hadronen
entdeckt:
Blasenkammeraufnahme
● Antinukleonen
● Resonanz-Teilchen, die nach sehr kurzer
Zeit (ca. 10-23 sec) stark in andere
Hadronen zerfallen, z.B.
ρ 0 → π +π − , ∆0 → pπ −
● „seltsame“ Teilchen, die nach sehr viel
längerer Zeit (ca. 10-10 sec) schwach
in andere Hadronen zerfallen; dazu gehören
auch die V-Teilchen,
K 0 → π +π − , Λ0 → pπ −
Man findet, daß sie in Paaren erzeugt
werden, z.B.
π − p → K 0 Λ0 .
41
Neue Quantenzahlen für Hadronen
Seltsamkeit (strangeness):
S(K0) = +1, S(Λ0 ) = -1, [S(π) = 0, S(p) = 0]
Summe der Seltsamkeit ändert sich nicht bei starker Wechselwirkung (Erzeugung
von K0 und Λ0 ), wohl aber bei schwacher Wechselwirkung (Zerfall von K0
oder Λ0 )
Baryonenzahl:
B = +1 für Proton und alle Hadronen, bei deren Zerfall ein Proton übrigbleibt.
Solche Teilchen heißen Baryonen.
B = -1 für Antiproton und Hadronen, bei deren Zerfall ein Antiproton übrigbleibt
(Antibaryonen).
B = 0 für alle anderen Hadronen (Mesonen).
Außerdem: Spin, Isospin, Parität, .....
I3-S-Diagramme:
Diagramme, in denen die Seltsamkeit S gegen die Isospinzahl I3 (bei sonst
gleichen Quantenzahlen) aufgetragen sind, zeigen große Regelmäßigkeit. Sie sind
42
das Periodensystem der Hadronen.
I3-S-Diagramme für Quarks und Mesonen
43
I3-S-Diagramme für Baryonen
44
Quark-Hypothese
1964
Gell-Mann und Zweig vermuten:
Hadronen bestehen aus Bausteinen, denen Gell-Mann den Namen
Quarks gab.
Name
M. Gell-Mann
(1929- )
Nobelpreis 1969
Zeichen
up-Quark
down-Quark
strange-Quarks
u
d
s
B
Q
1/3
1/3
1/3
2/3 e
-1/3 e
-1/3 e
I3
S
1/2
-1/2
0
0
0
-1
+ Antiquarks
Alle Quarks haben Spin 1 / 2 $
Baryonen bestehen aus 3 Quarks, qqq,
Antibaryonen bestehen aus 3 Antiquarks,
B = +1
q q q , B = −1
Mesonen bestehen aus 1 Quark und 1 Antiquark,
qq , B = 0
Das Schema sagt die Existenz weiterer Hadronen voraus, die auch gefunden werden.
45
Zwei verschiedene Neutrinos
Sind Neutrinos, die gemeinsam mit Elektron bzw. Müon erzeugt werden, identisch
oder verschieden, also
π
+
→ µ +ν
µ + → e +ν ν
oder
π
+
→ µ +ν µ
µ + → e +ν e ν µ
Durch Reaktion eines Neutrinos
mit einem Atomkern könnte in
der Blasenkammer ein Müon
erzeugt werden (oberes Bild)
oder ein Elektron, das zu einer
„Kaskade“ von ElektronPositron-Paaren führt (unten).
Gibt es nur eine Neutrino-Art, so
können Neutrinos aus dem
π-Zerfall sowohl Elektronen als
auch Müonen erzeugen,
anderenfalls nur Müonen.
46
Strahl von Müonen aus π-Zerfall
Protonen werden aus dem Synchrotron
ausgelenkt und erzeugen beim Aufprall
auf Wolfram Pionen, aus deren
Zerfallsprodukten durch die Strahlabschirmung der reine Neutrino-Strahl
herausgefiltert wird zum Eintritt in die
Blasenkammer.
47
Entdeckung des Müon-Neutrinos
Ergebnis: Neutrinos aus dem πZerfall erzeugen nur Müonen, keine
Elektronen. Es gibt zwei
verschiedene Neutrinoarten.
Leon M.
Lederman
Melvin
Schwartz
Jack
Steinberger
(1922 - )
Nobelpreis 1988
(1932 - )
Nobelpreis 1988
(1921 - )
Nobelpreis 1988
Das Ergebnis wurde 1962 von
Lederman, Schwartz und
Steinberger mit Funkenkammern
und wenig später am CERN in
Genf mit einer Blasenkammer
gefunden.
Ein Neutrino aus dem Pi-Zerfall tritt von links in die
Blasenkammer und erzeugt ein Müon (lange Spur nach
rechts). Der Rückstoßkern liefert eine kurze Spur nach
unten. (Die von oben nach unten durchgehende Spur hängt
48
nicht mit dem Neutrino zusammen.)
Neue Quantenzahlen für Leptonen
Leptonen sind Teilchen (bzw. Antiteilchen), die schwache und elektromagnetische, aber
keine starke Wechselwirkung zeigen. Sie treten geladen und ungeladen auf. Es gibt zwei
Generationen (Elektron- und Müon-Generation). Die Massen von Elektron und Müon sind
sehr verschiedenen. Die Neutrinos sind masselos oder haben sehr kleine Massen.
Teilchen
Q Le
−1 1
0 1
Lµ
0
0
0
1
0
1
1 −1
0 −1
0
0
1
0
−1
−1
e 
 
ν 
 e
 µ −  −1
 
ν  0
 µ
−
 e+ 
 
ν 
 e
µ+ 
 
ν 
 µ
0
0
Antiteilchen
Q
Ladung (in Einheiten der Elementarladung)
Le
Elektron-Leptonenzahl
Lµ
Müon-Leptonenzahl
Le , Lµ
Le
Lµ
sind ladungsähnliche Quantenzahlen,
die in allen Reaktionen streng erhalten
sind, z.B.
µ+
0
−1
→
e+
−1
0
νe
1
0
νµ
0
−1
49
Theorie der schwachen Wechselwirkung schwere Bosonen
Auch die schwache
Wechselwirkung wird durch
Austauschteilchen vermittelt,
die schweren Eichbosonen
W+, W- +, Z0 .
Einige Diagramme mit diesen Bosonen:
Bosonen vermitteln zwischen Quarks und Leptonen, die geladenen Bosonen auch
zwischen verschiedenen Quarks und verschiedenen Leptonen.
Beispiel: Zerfall des Neutrons
n → p e− ν e
50
Vereinheitlichte Theorie der
elektroschwachen Wechselwirkung
1967
Sheldon Glashow
(1932- )
Nobelpreis 1979
Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung haben die gleiche
Ursache. Es gibt 4 elektroschwache Eichbosonen, die beiden geladenen
W +,W −
und zwei neutrale
γ, Z0 ,
von denen eines das Photon ist.
Abdus Salam
(1926-1996 )
Nobelpreis 1979
1973
Ein starker, wenn auch indirekter Hinweis auf die Existenz des schweren
neutralen Bosons Z0 wird gefunden, die Streuung von ElektronNeutrinos an Elektronen
νe
νe
Z0
Steven Weinberg
(1933- )
Nobelpreis 1979
e-
e-
51
Vorhersage und Entdeckung des Charm-Quarks
1964, 1970
Neben u, d, s soll es ein viertes Quark c (Charm) geben.
Damit wird eine Symmetrie zwischen den 4 Leptonen
 e− 
  ,

ν e 
Samuel Ting
(1936 - )
Nobelpreis 1976
µ− 
 
ν 
 µ
erreicht und es können einige sonst unerklärbare Befunde
verstanden werden. Ein neues Quark bedeutet, daß viele weitere
Hadronen existieren.
1974
Burton Richter
(1931 - )
Nobelpreis 1976
In zwei ganz verschiedenen Experimenten finden zwei Gruppen
unter der Leitung von Ting bzw. Richter ein schweres Meson
J/ψ, das als ( cc )-Zustand interpretiert wird.
52
Theorie der starken Wechselwirkung (QCD)
Ab ca. 1965 wurde die starke Wechselwirkung als Wechselwirkung zwischen
den Quarks verstanden:
Jedes der Quarks (u,d,s) existiert in 3 Arten, die sich in einer Eigenschaft, der
„Farbe“ unterscheiden.
● Quarks tragen Farbe (rot, grün, blau), Antiquarks tragen Komplementärfarbe
oder „Antifarbe“ (antirot, antigrün,antiblau)
● Kräfte der starken Wechselwirkung zwischen Quarks werden durch Austausch
eines Feldquants, des Gluons, bewirkt. Das Gluon trägt selbst Farbe. (Das
Photon der QED trägt keine elektrische Ladung)
● Hadronen sind gebundene Zustande aus Quarks, die selbst farbneutral (weiß)
sind:
In Analogie zur Quantenelektrodynamik (QED) wurde eine Theorie der starken
Wechselwirkung entwickelt. Wegen des Ausdrucks „Farbe“ heißt sie
Quantenchromodynamik (QCD).
53
Gluonen tragen Farbe
Farbfluß im QCD-Prozeß
QED
rot
QCD
blau
Das ausgetauschete Gluon hat
die Farbe rot-antiblau
r
Dieser Vertex macht die Theorie
wesentlich verschieden von der QED:
Die elektromagnetische Kraft nimmt
mit wachsendem Abstand der
elektrischen Ladungen ab.
Die Farbkraft nimmt mit wachsendem
Abstand der Farbladungen zu.
g
b
Neben qqg-Vertex existiert
auch ggg-Vertex
54
Zwischenbilanz 1975
Es gibt
3 Kräfte
Kraft
Austauschteilchen (Eichbosonen)
elektroschwach
stark
(Schwerkraft)
γ, Z0, W+, Wg
Graviton?
4 Leptonen (in zwei Generationen)
 e− 
 ,
ν 
 e
 µ −  + Antiteilchen
 
ν 
 µ
4 Quarks (in zwei Generationen)
u 
  ,
d 
c
 
s
+ Antiteilchen
Offene Fragen:
● Existieren die Quarks wirklich? (Oder sind sie nur Hilfsmittel zur Ordnung der Fülle
von Hadronen?)
● Existiert das Gluon?
● Existieren die schweren Bosonen W+, W-, Z0 ?
● Existieren weitere Generationen von Leptonen und Quarks?
55
Speicherringe
In einem Speicherring werden positive und negative Teilchen in entgegengesetzter Umlaufrichtung
beschleunigt und an einigen Punkten im Ring zur
Kollision gebracht. Diese Punkte werden mit
Teilchendetektoren umgeben, deren Daten in
Computer ausgelesen werden.
Vorteile: • Höhere nutzbare Energie
• Sehr „saubere“ Reaktionen
(keine störende Materie des Targets)
Name
Ort
DORIS Hamburg
PETRA Hamburg
Spp S
Genf
LEP
Genf
HERA
Hamburg
Teilchen
e+e−
e+e−
pp
e+e−
ep
Schema eines Speicherrings
Gesamtenergie
10 GeV
46 GeV
450 GeV
200 GeV
ca. 300 GeV
Schema eines Experiments am Speicherring
Große Speicherringe in Europa
56
Die 3. Generation von Leptonen und Quarks
1975
M. Perl und Mitarbeiter entdecken ein drittes geladenes Lepton,
das τ (Tau-Lepton) mit der Masse 1780 MeV/c2 in einem
Experiment an einem e+e- - Speicherring in Stanford, Kalifornien.
e + e − → τ +τ −
,
τ + → e +ν eν τ
,
τ − → µ −ν µν τ
Da mτ > mπ , können beim Zerfall dieses Leptons im Endzustand
auch Mesonen auftreten, z.B.
Martin L. Perl
(1927 - )
Nobelpreis 1995
τ + → π +ν τ , τ + → π +π +π −ν τ
.
1977
Lederman und Mitarbeiter entdecken am Fermi-Labor bei
Chicago das Υ - Meson, einen ( b b ) - Zustand. Das BottomQuark b ist eines der beiden Quarks der 3. Generation und hat
die Masse mb ≈ 4,5 GeV/c.
1997
Das Top-Quark t wird an einem pp-Speicherring höchster
Energie (2000 GeV) ebenfalls am Fermi-Labor gefunden. Es hat
die ungewöhnlich hohe Masse mt ≈ 175 GeV/c.
57
Nachweis von Quarks
über die Beobachtung und Analyse von 2-Jet-Ereignissen
Theorie (QED): Folgende 2 Prozesse sind ähnlich.
Feynman-Diagramm
im Labor
Winkelverteilung
e+e− → µ + µ −
e+e− → qq
Experiment: Man beobachtet die vorhergesagte Winkelverteilung,
allerdings für Jets (Bündel von Hadronen). Freie Quarks (Teilchen
mit Ladungen e/3, 2e/3) werden nicht beobachtet.
58
Modell zur Entstehung von Quark-Jets
● Die in einer Elektron-Positron-Vernichtung erzeugten Quarks fliegen
voneinander weg.
● Dabei wird zwischen ihnen ein „Farbfeld“ (auch Farbschlauch genannt)
aufgebaut, dessen Feldenergie der Bewegungsenergie entnommen wird.
● Die Energie im Farbfeld kann zur Erzeugung weiterer Quark-Antiquark-Paare
ausreichen.
● Aus den ursprünglichen und den aus der Feldenergie erzeugten Quarks und
Antiquarks werden farbneutrale Hadronen gebildet.
59
Der PLUTO-Detektor 1979 am Speicherring PETRA
60
PLUTO
61
PLUTO-Ereignis
Elektron +Positron --> Quark + Antiquark --> 2 Jets
62
Nachweis des Gluons
über die Beobachtung und Analyse von 3-Jet-Ereignissen
! Beim Aufbau des Farbfeldes werden Quark und Antiquark abgebremst, d.h. sie
erfahren eine (negative) Beschleunigung.
! So wie eine beschleunigte elektrische Ladung Photonen abstrahlt, strahlt eine
beschleunigte Farbladung Gluonen ab.
! Der Prozeß
kann für hohe qg-Relativimpulse nach der QCD berechnet werden.
! Ereignisse mit hohen qg-Relativimpulsen haben neben den beiden Quark-Jets einen
getrennten Gluon-Jet.
! Mit der Beobachtung von 3-Jet-Ereignissen am PETRA-Speicherring in Hamburg
durch die Experimente JADE, MARKJ, PLUTO und TASSO im Jahre 1979 wurde
das Gluon experimentell entdeckt.
63
3-Jet-Ereignis
64
Proton-Antiproton-Speicherring
! aus Messungen am Elektron-Positron-Speicherring,
PETRA, zeichnete sich ab, daß die Massen der schweren
Bosonen W+, W-, Z0 bei etwa 100 GeV lagen.
! Van der Meer entwickelte eine Technik, die es ermöglicht, Antiprotonen in einem Ring zu speichern.
! Der 300 GeV Proton-Beschleuniger des CERN wurde
zu einem Proton-Antiproton-Speicherring umgebaut,
mit dem die Bosonen erzeugt werden konnnten.
Simon van der Meer
(1925 - )
Nobelpreis 1986
65
Erzeugung und Nachweis des Z0-Bosons
Beim Stoß eines Protons und eines Antiprotons können ein Quark und ein
Antiquark miteinander reagieren und ein Z0 bilden, das z.B. in ein ElektronPositron-Paar zerfällt.
Feynman-Diagramm
im Labor
Man erwartet das Auftreten eines Elektrons und
eines Positrons mit charakteristischen Energien
und Impulsen. (Zusätzlich treten Jets auf, die von
den übrigen Quarks verursacht werden.)
Carlo Rubbia
(1934 - )
Nobelpreis 1986
1983 Den Gruppen UA1 (unter Leitung von
Rubbia) und UA2 gelingt auf diese Weise der
Nachweis des Z0 .
66
Z0 → e+e- im UA1-Detektor
67
Erzeugung und Nachweis von W-Bosonen
Feynman-Diagramm
im Labor
Man erwartet im Detektor ein
einzelnes Elektron hoher
Energie. Das Neutrino
hinterläßt keine Spur. Seine
Anwesenheit macht sich
dadurch aber bemerkbar, weil
nicht die ganze Rekationsenergie nachgewiesen wird:
Es „fehlt“ Energie.
Erzeugung eines W- (UA1-Ereignis).Die Spur des
Elektrons ist gekennzeichnet.
68
Der LEP-Speicherring
● Die W- und Z-Bosonen bilden mit dem Lichtquant γ eine Teilchenfamilie.
● Die Präzisionsmessung ihrer Eigenschaften hat deshalb große Bedeutung für
die Physik.
● Um sie möglichst sauber (ohne störende andere Teilchen) und in großer
Zahl erzeugen zu können, wurde ein großer Elektron-Positron-Speicherring,
LEP, am Europäischen Forschungszentrum CERN bei Genf gebaut.
● In großen internationalen Kollaborationen werden dort seit 1989 vier
Experimente betrieben. Eines ist das ALEPH-Experiment, an dem auch die
Universität Siegen beteiligt ist.
69
Satellitenbild von Genf und Umgebung
70
71
Blick in den LEP-Tunnel
72
73
74
75
Z-Boson als Resonanz
76
Breite der Z-Resonanz
Hängt von Anzahl und Stärke der möglichen Zerfallskanäle ab:
für alle q mit M(q) < M(Z)/2,
d.h. q = u,d,s,c,b
für alle l mit M(l) < M(Z)/2,
d.h.
l = e, µ , τ
für alle Neutrinos mit Massen < M(Z)/2
d.h. ν l
= ν e ,ν µ ,ν τ ,⋅ ⋅ ⋅
77
Z --> 2 Müonen
78
Z --> Elektron + Positron
79
Z --> 2 Tau-Leptonen
80
Z --> Quark + Antiquark --> 2 Jets
81
Wie viele Generationen von Fermionen gibt es?
 u  c  t 
Quarks     ... ?
 d  s  b 
   
−
−


 e  µ τ 
  ... ?
Leptonen  
ν 
ν
ν
 e  µ  τ 
−
M(u)~M(d)~0.01GeV
M(s)~0.3GeV M(c)~1.4GeV
M(b)~4.3GeV M(t)~175 GeV
M (e) ~ 0.0005GeV
M (µ ) ~ 0.16GeV
M (τ ) ~ 1.7GeV
M (ν e ) < 0.00000001GeV
M (ν µ ) < 0.00017GeV
M (ν τ ) < 0.024GeV
•Während geladene Leptonen schwer sein können, sind die zugehörigen Neutrinos sehr
leicht (möglicherweise masselos)
•Noch unentdeckte geladene Leptonen L mit M(L) > M(Z)/2 ~ 45GeV hätten wohl
Neutrinos mit Massen < M(Z)/2 als Partner. Sie könnten paarweise erzeugt werden und
trügen dann zur Breite der Z-Resonanz bei.
•Ein solcher Beitrag wurde nicht beobachtet
•Erklärung: Es
gibt nur die drei bekannten Generationen
82
Experimenteller Befund: Es gibt genau drei FermionGenerationen
83
Paarerzeugung freier W-Bosonen
• Durch Energieerhöhung ist seit Sommer 1997 bei LEP die Erzeugung von Paaren
schwerer Bosonen möglich
• Damit können erstmals bei LEP freie W-Bosonen erzeugt werden
Mögliche Zerfälle des W:
84
WW --> 4Jets
85
WW --> 2 Jets + Tau + Neutrino, Tau --> Rho + Neutrino
86
WW --> 2(Müon + Neutrino)
87
Bilanz 2000
Es gibt
3 Kräfte
Kraft
Austauschteilchen (Eichbosonen)
elektroschwach
stark
(Schwerkraft)
γ, Z0, W+, Wg
Graviton?
6 Leptonen (in drei Generationen)
 e− 
 ,
ν 
 e
µ− 
 ,
ν 
 µ
τ − 
 
ν 
 τ
+ Antiteilchen
6 Quarks (in drei Generationen)
u 
  ,
d 
c
  ,
s
t 
 
b
+ Antiteilchen
Offene Fragen:
● Warum 3 Generationen (Substruktur, Strings)?
● Wie erklären sich die Massen der Teilchen? (Higgs?)
● Haben die Neutrinos Masse?
● Gibt es eine Quantentheorie der Schwerkraft?
● Gibt es eine einheitliche Theorie aller Kräfte?
Es gibt noch viel zu tun!
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Internet-Links zum Vortrag
• Universität Siegen http://www.uni-siegen.de
• Fachbereich Physik http://www.physik.uni-siegen.de
• Nobelpreisträger http://www.nobel.se
• CERN http://www.cern.ch/
• ALEPH http://alephwww.cern.ch/
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