Das Standardmodell der Teilchen

Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen
Vortrag: Das Standard-Modell der Teilchen
Dania Burak
Das Standardmodell der Teilchen
Was ist das Standardmodell der Teilchen?
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Beschreibt Teilchen und ihre Wechselwirkungen
Beschreibt Wechselwirkungen durch Austausch von Teilchen
Fasst experimentelle Daten zusammen
Macht Vorhersagen über noch unbekannte Teilchen (z.B.: Higgs)
Ist „nur“ ein Modell, bei dem noch viele Fragen ungeklärt bleiben.
Elementarteilchen:
Im Standard-Modell werden 12 Materiebausteine in 3 Teilchen-Familien (TeilchenGenerationen) angenommen
Fermionen
Leptonen
Quarks
1
e
νe
u
d
Familien
2
3
µ
τ
νµ
ντ
c
t
s
b
Elektr. Ladung
Farbe
-1
0
+2/3
-1/3
_
r, b, g
Spin
1/2
1/2
Teilchen Klassifizierung:
Hadronen
Mesonen
→ Teilchen aus qq- Paaren
→ haben ganzzahligen Spin
(also Bosonen)
•
Baryonen
→ Teilchen aus qqq
(qqq Antibaryonen)
→ haben ½-zahligen Spin
(also Fermionen)
Experimentell beobachtet man nur farbneutrale Teilchen. Also Teilchen ohne
Nettofarbe
1
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Wechselwirkungen:
Wechselwirkung
koppelt an
Austauschteilchen
Masse in (GeV/c²)
stark
Farbe
Gluonen
0
Photon
0
W+ W- Z0
80, 90
Graviton
0
elektromagnetisch
schwach
Gravitation
elektrische
Ladung
schwache
Ladung
Masse
Reichweiten:
•
•
•
Da die Photonen masselos sind hat die elektromagnetische Wechselwirkung eine
unendliche Reichweite.
Gluonen haben zwar M=0, aber da die Gluonen selbst Farbladung tragen WW sie
untereinander. Dadurch wird die Reichweite beschränkt. (Reichweite ca. 2 ,5 ⋅ 10 −15 m )
Schwache WW nur eine Reichweite von ca. 10 −18 m , wegen der großen Massen von
W+ und Z0
Besonderheiten der starke Wechselwirkung
•
Gluonen koppeln auch untereinander, da sie selbst Farbladung tragen
•
Die starke Kopplungskonstante:
α s (Q ²) =
12π
(33 − 2n f )⋅ ln(Q² Λ ²)
Isospin:
•
Man beschreibt die Symmetrie zwischen Protonen und Neutronen durch den Isospin,
einen Formalismus analog zum Spin
 Pr oton : I 3 = +1 / 2
Nukleon : I = 1 / 2 
 Neutron : I 3 = −1 / 2
Helizität:
•
Teilchen mit Spin in Bewegungsrichtung haben die Helizität +1, solche mit Spin
entgegen die Bewegungsrichtung die Helizität –1
r r
s⋅p
h= r r
s⋅ p
2
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Dania Burak
Besonderheiten der schwache Wechselwirkung:
•
•
•
•
+
Austausch von W : Quarks und Leptonen ändern Identität
Die schwache WW ist maximal paritätsverletzend
Die kombinierte Anwendung von CP (von Ladungskonjugation und Raumspieglung)
ist in erster Näherung erhalten.
koppelt nur an linkshändige Fermionen und rechtshändige Antifermionen
Erhaltungssätze der Wechselwirkungen:
•
Bei allen WW sind erhalten: Energie, Impuls, Drehimpuls, Ladung, Farbe,
Baryonenzahl und die drei Leptonenzahlen
• P- und C-Parität sind nur bei der starken und der elektromag. WW erhalten
• Nur W+ wandelt Quarks und Leptonen um
→ Die Quantenzahlen, die den Quark-Flavour angeben (3. Komponente des
Isospins, strangeness, charme, etc.) sind bei der schwachen WW nicht erhalten.
• Der Betrag des Isospins ist nur bei der starken WW erhalten
Elektroschwache Vereinheitlichung:
•
•
Diese Theorie geht von vier masselosen Austauschteilchen aus
W+, W- und Z0 erhalten durch spontane Symmetriebrechung Masse.
Feynman-Diagramme:
•
Fermis "Goldene Regel":
W=
•
2
2π
M fi ⋅ ρ ( E ′)
h
Graphische Orts-Zeit-Darstellung von Reaktionen zur Berechnung von Mfi
Fermionen:
Teilchen (z.B.: e-)
Antiteilchen (z.B.: e+)
[bewegen sich rückwärts in der Zeit]
3
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Eichbosonen:
Photon (γ)
Vektor-Bosonen (Z0, W+)
Gluonen
Vertex:
beschreibt Struktur und Stärke der WW
•
Die Übergangsamplitude enthält für jeden Vertex einen Faktor, der proportional zu
α
ist
→ Jeder Vertex macht die Reaktion unwahrscheinlicher
µ+
µ-
αe.m.
αe.m.
e-
e+
Literaturverzeichnis:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Prof. Dr. Michael Feindt: Kursvorlesung: Physik VI (Kerne und Teilchen), SS 2006
http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~wagner/physikVI2006/
Povh, Rith, Scholz, Zetsche: „Teilchen und Kerne. Eine Einführung in die
physikalischen Konzepte“, 5. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 1999
Bergström, Goobar: „Cosmology And Particle Astrophysics“, 2. Auflage, SpringerVerlag, Berlin 2004
Prof. Dr.W. de Boer: „Der Urknall und seine Teilchen“ Talk during CERN excursion,
CERN, Sep. 2004
Demtröder: „Experimentalphysik 4 Kern-, Teichen- und Astrophysik“, SpringerVerlag, Berlin 1998
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