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 oF-w
