Teilchen - Bildungsportal Sachsen

Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften, Fachrichtung Physik
Teilchen- und Kernphysik für Lehramt
Staatsexamen (GYM, BBS, MS)
(Modul Aufbau des Universums MN-SE..-PHY-Univ)
Master of Education (GYM, BBS)
(Modul Struktur der Materie Ph-Struktur-LA)
Michael Kobel
[email protected]
Technische Universität Dresden
Folien, 2. Vorlesung 21.10.2016
TU Dresden, WiSe 16/17
Michael Kobel
2
Organisatorisches
 Homepage der Vorlesung ist in OPAL
(wächst, nun Literaturliste vollständig! )
https://bildungsportal.sachsen.de/opal/auth/RepositoryEntry/11720130560
dient als zentrale Informationquelle für alle und alles
• Übungen
 Wegen Feiertag am Montag bitte alle die Übungsgruppe am Dienstag
besuchen oder die Übung zu Hause machen !
• 15 min Referat
 Themen werden nun wirklich am Wochenende in OPAL eingestellt
 Jedes Thema wird 2 Mal vorhanden sein
 Wird es 2 Mal gewählt, dann sind die Referate
Mo und Di in den Übungsgruppen
 Wird es Einmal gewählt, dann ist das Referat in der Vorlesung
 OPAL bietet eine Vorab-upload zur Ansicht und Kommentierung
durch die Betreuer/innen, bitte nutzen!
Michael Kobel
TU Dresden, WiSe 16/17
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Interaktives
 Auditorium Mobile Classroom AMCS
•
•
•
•
Während der Vorlesung wird es anonym online zu beantwortende
Um-, Lern- und Test-Fragen geben
Bitte registrieren Sie sich *jetzt* im Mobile Classroom der TUD
https://mobileclassroom.inf.tu-dresden.de
Für Smartphones ist auch eine AMCS App verfügbar
Der PIN für die Veranstaltung lautet 053551.
Derzeit sollten Sie nach Einloggen – falls noch nicht beantwortet –
im Browser eine angezeigte Kursfrage nach Ihrem Studiengang sehen, die
in der Android App leider (noch) nicht angezeigt wird. (bug fix kommt)
=> Es gibt erst 34 Antworten: (in Übungen eingeschrieben: 46)
Fehlende bitte ergänzen!
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II. Basiskonzepte des Standardmodells
 Das Standardmodell der Teilchenphysik
(hauptsächlich entwickelt von 1961-1973)
Ladungen
ElementarTeilchen
-- spüren ->
<- beeinflussen--
Wechselwirkungen
 Basierend auf mathematischem Noether-Theorem (1918)
Symmetrie
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
Erhaltungsgröße
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Nur diese Formel der Lagrange-Energiedichte
erfüllt alle Symmetrien !
Wechselwirkungen zwischen
Materie- und Boten-Teilchen  Strahlung, …
Botenteilchen unter sich:
 emag Wellen, Streuung
Forschung in Dresden
http://www.quantumdiaries.org/2011/06/26/cern-mug-summarizes-standard-model-but-is-off-by-a-factor-of-2/
Higgs mit Materie- und Boten-Teilchen
Massen der Materie- und Boten-Teilchen
Erzeugung und Zerfälle des Higgs-Teilchens
CERN, 18.06.2015
Michael Kobel
Higgs-Teilchen unter sich
noch nicht beobachtet
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Kurz-Definitionen der Basiskonzepte
 Elementarteilchen
• Teilchen ohne (dauerhafte) Substruktur
(Quantenfluktuationen sind erlaubt)
 Fundamentale Wechselwirkungen
• Nicht auf andere Wechselwirkungen/Kräfte zurückführbare
gemeinsame Beschreibung einer Vielzahl von Prozessen
(z.B. Kräfte, Umwandlungen, Streuungen)
 Ladungen
• Charakteristische Eigenschaften von Teilchen,
die Wechselwirkungen hervorrufen
(und damit Anziehung, Abstoßung, gebundene Zustände,
Umwandlungen, etc. ermöglichen)
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 AMCS Fragen: Folie 1
• Elementarteilchen:
 Keine Elementarteilchen: Proton, Neutron

•
(haben permanente Substruktur aus Quarks)
Sowohl als auch (gilt für alle Teilchen, elementar oder nicht)
-
Wechselwirkungen:
 Keine fundamentale Wwirkung ist:
-
•
Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin
Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin
Kernkräfte zwischen Nukleonen
(Rückführbar auf starke Wwirkung zwischen Quarks)
Ladungen:
 Bekannt (leider) nur: Elektrische Ladung
 (Weitgehend) unbekannt:
-
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Starke (Farb-)Ladung
Schwache (Isospin-)Ladung
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Fußball-Analogie
 Wie erklärt man jemandem etwas Unbekanntes? z.B. Fußball...
 Man beginnt nicht mit der Anzahl der Spieler (die gar nicht
festgelegt ist…) oder gar deren Positionen, sondern mit Regeln
•
•
Spieler = Elementarteilchen
Regeln = Wechselwirkungen, Erhaltungssätze,...
 Wieso also bei der Behandlung des
Standardmodells mit Elementarteilchen beginnen??
•
•
•
•
Nur u,d,e sind für Aufbau der Materie nötig
Warum es genau diese Teilchen gibt, kann
nicht vorhergesagt werden (nicht verstanden!)
Jedoch: Das Standardmodell ist eine
Theorie der Wechselwirkungen
zwischen diesen Teilchen
Diese können aus tiefergehenden Prinzipien
(Symmetrien) begründet werden
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II.1. Basiskonzept Wechselwirkung (im Lehrplan!)
 Kraft ist immer auch Wechselwirkung (Actio = Reactio)
 Nun: Begriff Wechselwirkung wird erweitert
 neues Basiskonzept
Basiskonzept
Wechselwirkung
= Kraft + Umwandlung + Erzeugung +
Vernichtung
 Umfasst die Phänomene
• Kraft (Vektor)
(z.B. Coulomb-Kraft)
• Erzeugung von Materie+Antimaterie (z.B. Elektron+Positron)
• Vernichtung in „Feldquanten“
(z.B. PET: in 2 Photonen)
• Umwandlung von Teilchen ineinander (z.B. -Umwandlung)
 Ziel: Wir kennen genau 4 fundamentale
Wechselwirkungen
•
Zu jeder existiert eine Kraft, oft stehen aber andere Phänomene im
Vordergrund
 Begriffe Kraft und Wechselwirkung sind klar zu trennen
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Materie-Antimaterie Paarerzeugung
 Elektron-Positron Paarerzeugung aus einem Photon
im elektrischen Feld eines Kerns oder eines Elektrons
(Beispiel für viele andere Paarerzeugungen)
http://tap.iop.org/atoms/particles/534/file_47333.doc
Photon +
ruhendes
atomares e->
e+ e- Paar
Atomares
Elektron
Weiteres
e+ e- Paar
aus Photon
einer
Bremsstrahlung
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Materie-Antimaterie Paar-Vernichtung
 Band 1, Netzwerk Teilchenwelt
(NTW,Band 1)
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Abbildung 15: Prinzip der Positronen‐
Emissions‐Tomographie. Einem Lebewesen wird eine schwach radioaktive Substanz injiziert, die innerhalb des Körpers zerfällt und dabei Positronen aussendet ( ‐Strahler). Diese Positronen annihilieren mit im Körper befindlichen Elektronen (Paarvernichtung), wodurch zwei Photonen entstehen. Die beiden Photonen verlassen den Körper in entgegengesetzte Richtungen und können von kreisförmig um den Körper angeordneten Detektoren registriert werden. (Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia
/commons/c/c1/PET‐schema.png)
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II.2. Feynmandiagramme, Teil 1:
Darstellung von Wechselwirkungen
 Feynmandiagramme als eine Art „Orts-Zeit“ Diagramm
Materie-Teilchen
Antimaterie-Teilchen
Fermionen
Fermionen
Boten-Teilchen
(auch: Austausch-Teilchen)
Bosonen
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 Begriffsklärung:
• Vertex / Vertices (plural)
• Wechselwirkung wird dadurch dargestellt, dass Teilchen
•
emittiert, absorbiert, vernichtet oder erzeugt werden
(an einem „bestimmtem Ort“, zur einer „bestimmten Zeit“)
NB! grafische Darstellung nicht zu wörtlich als „Ort-Zeit“ nehmen
 In Realität: quantenmechanische Unschärfe!
 Steigung der Linien nicht quantitativ als Geschwindigkeit interpretieren!
Vertex 1
Vertex 2
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Erforderlich aus Lagrange-Energiedichte
 Grundbausteine für Elektronen und Photonen
• Wichtig: „Umklappen“ von Linien (rein <-> raus)
(ggflls mit Übergang von Teilchen -> Antiteilchen)
ergibt immer einen weiteren erlaubten Prozess
 1.Emission und 2. Absorption eines Photons
t
t
Umklappen ergibt Anti-Teilchen
wie in mathematischer Gleichung
A
 B+C
A “– C“  B
Antiteilchen von C
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 3. Paarvernichtung und 4. Paarerzeugung
e-
e
e+
e+
t
t
(nicht beschränkt auf e+e- Paare, geht mit allen Paaren
aus Teilchen und Anti-Teilchen, Details später)
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Ist Emission und Absorption überhaupt kinematisch möglich?
betrachte: Ruh-System des einfliegenden
bzw.
des ausfliegenden Elektrons
und Energie-Impuls-Erhaltung = Viererimpulserhaltung und oBdA. Photon in x-Richtung;
(nicht) möglich in einem Bezugssystem <-> möglich in allen (keinem) Bezugssystemen
0
0
0
0
0
0
0
bzw.
0
0
0
0
=
0
0
0
Aus der Energieerhaltung (0-te Komponente) folgt nach Quadrieren:
2
=
0
-> Diese Prozesse sind scheinbar nur für Abstrahlung energieloser Photonen möglich
-> Aber wir sehen Röntgenstrahlung, Bremsstrahlung, atomare Übergänge  ????
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E-p Beziehung von freien Teilchen
 „Dispersionsrelation“, Teilchen „auf der Massenschale“
Abb. 40: Energie‐Impuls‐Beziehung am Beispiel von Photon (
· ), ‐Teilchen und Top‐Quark. Für kleine Impulse gilt beim ‐Teilchen und dem Top‐Quark näherungsweise die nicht‐relativistische Beziehung ²
, die für das Top‐Quark violett gestrichelt eingezeichnet ist. ·
Bei großen Impulsen nähern sich die ‐Kurven aller Teilchen der hoch‐relativistischen Photon‐Gerade · an. TU Dresden, WiSe 16/17
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