Standardmodell der Elementarteilchenphysik

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Einheit 13
Subatomare Physik 2
26.01.2012
Markus Schweinberger
Sebastian Miksch
Markus Rockenbauer
Subatomare Physik 2
• Fundamentale Wechselwirkungen
• Das Standardmodell
• Elementarteilchen
• Erhaltungssätze
• Das Quarkmodell
• Austauschteilchen
Das Standardmodell der
Elementarteilchenphysik beschreibt
die bekannten Elementarteilchen und
deren Wechselwirkungen.
• Quantenfeldtheorie die den Gesetzen der speziellen
Relativitätstheorie gehorcht.
• Durch teilchenphysikalische Experimente gut bestätigt.
• Kann aber einige Beobachtungen nicht erklären!
Wechselwirkungen und Elementarteilchen
des Standardmodells
• Starke Wechselwirkung
• Schwache Wechselwirkung
• Elektromagnetische Wechselwirkung
• Fermionen (Spin ½)
• Vektorbosonen (Spin 1)
Starke Wechselwirkung
Leptonen
Leptonen (Spin ½) Masse [GeV/c2]
Elektrische
Ladung
0
-1
Lebensdauer
Elektron-Neutrino
νe
Elektron e
Myon-Neutrino νμ
Myon μ
<1*10-8
5,11*10-4
<2*10-4
0,106
0
-1
Stabil(?)
2,197*10-6s
Tauon-Neutrino ντ
Tauon τ
<0,02
1,7771
0
-1
Stabil(?)
2,9*10-13s
Stabil
Stabil
Masse
2
𝑚𝑐
•𝐸=
• [E]=[eV]
2
• => 𝑒𝑉 = 𝑚𝑐
• => 𝑚 =
𝑒𝑉
𝑐2
Erhaltungssätze
•
•
•
•
•
Energieerhaltung
Impulserhaltung
Drehimpulserhaltung
Ladungserhaltung
Erhaltung der Baryonen- und Leptonenzahl
Leptonenzahlen
Le
Lμ
Lτ
e-
+1
0
0
νe
+1
0
0
e+
-1
0
0
νe
-1
0
0
μ-
0
+1
0
νμ
0
+1
0
μ+
0
-1
0
νμ
0
-1
0
τ-
0
0
+1
ντ
0
0
+1
τ+
0
0
-1
ντ
0
0
-1
β-Zerfall
• 𝑛 → 𝑝 + + 𝑒 − + νe
Fundamentalteilchen
Das Quarkmodell
Quarks 1. Generation
• Up-Quark
• Down-Quark
Die gesamte „normale“ Materie
besteht nur aus Quarks der
1. Generation.
Quarks 2. Generation
• Strange-Quark
• Charm-Quark
Strange-Quark wurde von Gell-Mann anfangs
nur eingeführt, weil bestimmte Baryonen
nicht mit Up- und Down-Quarks
erklärt werden konnten.
Quarks 3. Generation
• Bottom-Quark
• Top/Truth-Quark
Erste Teilchen, welche ein Bottom-Quark
enthielten wurden bereits 1977 entdeckt.
Sein Partner, das Top-Quark, wurde
allerdings erst 1995 nachgewiesen.
Eigenschaften der Quarks
• Zu jedem Quark existiert ein Antiquark
• Quarks unterliegen allen Grundkräften der
Physik
• Alle Quarks, außer dem Up- und Down-Quark,
bilden nur subatomare Materie mit sehr
geringer Lebensdauer
Eigenschaften der Quarks
• Die elektrische Ladung der Quarks ist
entweder −1/3 oder +2/3 der
Elementarladung
• Es existieren keine sich frei bewegende
Quarks
• Drei Farbladungen
Eigenschaften der Quarks
Farbladungen
• Drei Farbladungen: rot, grün, blau
• Nur farblose/weiße Zustände können isoliert
existieren
• Quarkkombinationen für stabile Nukleonen
notwendig
Eichbosonen
•
•
•
•
•
1 Photon
8 Gluonen
jeweils 1 W+-, W--, Z0-Boson
(1 Higgs-Boson)
(1 Graviton)
Photon
• Überträgt elektromagnetische
Wechselwirkung
• Wechselwirkt zwischen Quarks und Leptonen
(ohne Neutrinos)
• Masselos
Gluonen
• 8 verschiedene Gluonen (engl. glue = kleben)
• Verantwortlich für die starke Wechselwirkung
• Wechselwirken nur zwischen den Quarks
• Werden als masselos angenommen (innerhalb
des Standardmodells)
W+-, W- -, Z0-Boson
• Jeweils 1 W+-, W--, Z0-Boson
• Überträgt die schwache Wechselwirkung
• Wechselwirkt zwischen Quarks und Leptonen
• Haben recht große Massen
• Sehr geringe Lebensdauern (W+-, W—Bosonen)
Graviton
• 1 Graviton
• Überträger der Gravitation
• Wechselwirkt zwischen Quarks, Leptonen und
hypothetisch dunkler Materie
• Theoretisch unendliche Lebensdauer
• Theoretisch masselos
• Rein hypothetisches Eichboson (nicht im
Standardmodell)
Higgs-Boson
• Einziges Teilchen, welches im Standardmodell
noch nicht experimentell nachgewiesen wurde
• Higgs-Boson könnte Aufschluss geben, warum
W+-, W--, Z0-Boson über Masse verfügen
• Higgs-Boson konnte bis heute noch nicht
nachgewiesen werden
• Teil der aktuellen Teilchenforschung
Themen aus aktueller Forschung
• So kleine Teilchen sind extrem schwer zu
detektieren.
• Zerfallen schnell, wechselwirken fast nicht
• Beispiele:
• Neutrino Detektor (Super Kamiokande)
• Teilchen Detektor ATLAS am Cern
Neutrino Detektor (Super Kamiokande)
ATLAS Detektor am CERN
Zusammenfassung
• Das Standardmodell der Teilchenphysik
– Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen
– Starke, schwache und elektromagnetische WW
– Fermionen, Vektorbosonen
– Quarks existieren immer als Teilchen und Antiteilchen,
es gibt keine freien Quarks
– Physikalische Grundkräfte gelten auch für die
kleinsten Teilchen
Zukunft – Vorschau - Teaser
• Die aktuelle Forschung versucht das
Standardmodell zu verbessern (bzw. ersetzen)
• Existiert das Higgs-Boson?
• Wie kann man die Gravitation einbinden?
• GUT (große vereinheitlichte Theorie)
• Schleifenquantengravitation?
• Video auf:
• http://www.youtube.com/watch?v=uKTmNNi
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