Elementary Particle Physics

Martin Lamprecht
Geschichte der Teilchenphysik
bis zum Standardmodell
Hauptseminar
Hochenergie-Teilchenphysik
25.11.2003
GRUNDLAGEN
Grundlagen
Teilchen produzieren
Kernreaktoren
(hier: Druckwasserreaktor)
Kosmische Strahlenschauer
Teilchenbeschleuniger
(hier: LHC am CERN)
Grundlagen
Teilchen detektieren
GeigerGeiger-MüllerMüller-Zählrohr
Photomultiplyer
Blasenkammer
CerenkovCerenkov-Zähler
GESCHICHTE
Geschichte
Überblick
Die klassische Ära (1897-1932)
Das Photon (1900-1924)
Mesonen (1934-1947)
Antiteilchen (1930-1956)
Neutrinos (1930-1962)
Seltsame Teilchen (1947-1960)
Eightfold Way (1961-1964)
Das Quarkmodell (1964)
Novemberrevolution &
danach (1974-1983)
Austauschteilchen (1983)
Standardmodell (1978 – heute)
Austauschteilchen
W+- Z0
Mesonen
K
e
Baryonen
pn
Leptonen
e-
Statusleiste: Wissensstand zur betrachteten Zeit
Quarks
udscbt
Geschichte
Die klassische Ära (1897-1932)
PROTON
NEUTRON
J.J. Thomson
Ernest Rutherford (1871(1871-1937)
James Chadwick
Kathodenstrahlröhre
RutherfordRutherford-Streuexperiment (1910)
e
Baryonen
pn
Leptonen
e-
ELEKTRON
Atomkern: Protonen und Neutronen
Geschichte
Das Photon (1900-1924)
Ultraviolet
Ultraviolet Classical
Classical Catastrophe
Catastrophe
compared
compared with
with experiment
experiment
3E-18
3E-18
2E-18
2E-18
intensity
intensity
Comptoneffekt
classical
classical
1,5E-18
1,5E-18
1E-18
1E-18
5E-19
5E-19
00
5E+12
5E+12
1E+13
1E+13 1,5E+13
1,5E+13 2E+13
2E+13 2,5E+13
2,5E+13 3E+13
3E+13
frequency
frequency
Photoeffekt
Austauschteilchen
W+- Z0
e
Baryonen
pn
Leptonen
e-
Ultraviolettkatastrophe
00
intteennssitityy// uunnitit fre
freqq ra
rannggee
in
2,5E-18
2,5E-18
Geschichte
Mesonen (1934-1947)
Was hält den
Atomkern zusammen?
kurze
Reichweite
=>
m ≈ 300me≈ 1/6 mp
Hideki Yukawa
Austauschteilchen
W+- Z0
Mesonen
K
• Masse
• Lebensdauer
??? . . .
e
Baryonen
pn
Leptonen
e-
• schwach
• Lepton
Welche
Eigenschaften
hat das
Feldquant?
Geschichte
Antiteilchen (1930-1956)
E = ± p 2c 2 + m 2c 4
Lösung:
1932 Carl Anderson: Entdeckung des
Positrons.
Lösungen mit negativer Energie.
Deutung:
• negative Energieniveaus
gefüllt von unendlichem
Elektronensee.
• Pauli-Prinzip verhindert
„absacken“ ins negative.
Problem:
Paul Dirac
• Löcher im See?
• Proton zu schwer
B⊗
• Kein Teilchen mit
q=+e und m=me
bekannt.
Positron-Spur durch
Nebelkammer
Austauschteilchen
W+- Z0
Mesonen
K
e
Baryonen
pn
Leptonen
e-
1955 am Berkeley Bevatron: Erzeugung eines Antiprotons.
1995 am CERN: Herstellung eines Anti-Wasserstoff-Atoms.
Geschichte
Neutrinos (1930-1962)
Beta-Zerfall
Wolfgang Pauli
Enrico Fermi
ν ≠ν
νe ≠ν µ
Leptonenzahlerhaltung
Austauschteilchen
W+- Z0
Mesonen
K
e
Baryonen
pn
Leptonen
e-
Leptonenfamilienzahlerh.
Geschichte
Seltsame Teilchen (1947-1960)
+
+ π
−
Weitere
Weitere schwere
schwere
Baryonen
Baryonen werden
werden in
in
den
den nächsten
nächsten Jahren
Jahren
entdeckt:
entdeckt:
Mesonen
K
e
e-
Baryonen
pn
Leptonen
usw...
usw...
+ π
−
π
→
+
K
0
Σ, Ξ, ∆
• Teilchen werden schnell
produziert (~10-23s),
zerfallen aber sehr
langsam (~10-10s).
• Entstehen stark, zerfallen
schwach.
Strangeness
• stark erhalten
• schwach nicht erhalten
Austauschteilchen
W+- Z0
Λ → p
Seltsam:
K+ →π + +π + +π −
Geschichte
Eightfold Way (1961-1964)
Baryonen-
Baryonen-Oktett
Murray GellGell-Mann
Dekuplett
Anordnung der Teilchen in „wilden“ geometrischen
Mustern nach Ladung und Strangeness.
Mesonen-
Austauschteilchen
W+- Z0
Mesonen
K
e
Baryonen
pn
Leptonen
e-
Oktett
Geschichte
Das Quarkmodell (1964)
Warum passen die Hadronen in die Muster des Eightfold Way?
u
d
s=0
Q=
s =1
3 Quarks
=
Baryon
Problem:
z.B.: ++
2
3
s=0
s
Quark +
Antiquark
= Meson
s
s = −1
Q=−
1
3
u
Q=−
u
u u
2
3
d
Q=
1
3
Alle natürlich
vorkommenden
Teilchen sind
3 Fermionen im selben
Zustand widersprechen
dem PauliPauli-Prinzip.
FARBLOS.
Austauschteilchen
W+- Z0
e
Leptonen
e-
Quarks
udscbt
Geschichte
Novemberrevolution & danach (1974-1983)
Nov. ‘74: Entdeckung des
-Mesons
Weitere Entdeckungen:
• 1975 neues Lepton: Tauon mit eigenen
Neutrino
• Sehr Lange Lebensdauer
• Enthält ein neues Quark: „Charm“
• 1977 gefundenes „Upsilon“ enthält fünftes
Quark: „Beauty“ bzw. „Bottom“
• 1995 Nachweis des 6ten Quarks („Top“)
am TEVATRON Chicago.
Austauschteilchen
W+- Z0
e
Leptonen
e-
Quarks
udscbt
Geschichte
Austauschteilchen (1983)
Schwache Austauschteilchen:
W+, W-, Z0
(1983 am CERN nachgewiesen)
Steven
Weinberg
Abdus
Salam
Austauschteilchen
W+- Z0
e
Leptonen
e-
Sheldon
Glashow
Quarks
udscbt
Geschichte
Standardmodell (1978 – heute)
Austauschteilchen
W+- Z0
e
Leptonen
e-
Quarks
udscbt
AUSBLICK
Ausblick
„Mystery Meson“
Quellen
u.a.:
Griffith: Introduction to Elementary Particles (Wiley & Sons)
Sons)
Microsoft Encarta 99 CDCD-ROM
www.
www.cern.
cern.ch
Michael Fowler: Blackbody Radiation (http://www
.phys.virginia
virginia..edu/
black_
_body_
(http://www.phys.
edu/classes/252/
classes/252/black
body_radiation.
radiation.html)
html)
http://www
http://www..termogent.
termogent.com/
com/teilchen.htm
teilchen.htm
http://www
_d_tph
tph//titelseite.
http://www..didaktik.
didaktik.physik.uni
physik.uni--erlangen.de/grundl
erlangen.de/grundl_d_
titelseite.html