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Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen WS 2004/2005 Das Standardmodell der Teilchenphysik 29.10.2004 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Teilchenzoo? Ja!!! Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Was ist das Standardmodell? -Beschreibt Teilchen und ihre Wechselwirkungen -Fasst experimentelle Daten zusammen -Macht Vorhersagen über noch unbekannte Teilchen -Bleibt aber nur ein Modell -Stimmt heute schon nicht mehr in allen Details -Felder werden beschrieben durch Austausch von „virtuellen Teilchen“ (Bsp: E-Felder durch Austausch von Photonen) Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Inhaltsübersicht: -Vorstoß ins Unbekannte -Welche Elementarteilchen gibt es? -Erhaltungssätze und Symmetrien -Wie funktionieren die Wechselwirkungen? -Bsp: Experiment am CERN -Grenzen des Standardmodells -Zusammenfassung Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Vorstoß ins Unbekannte Wie tief kennen wir die Substruktur der Materie? 10 14 m 1 10 m 9 10 m 10 9 m 10 10 m ?? 10 ?? m 10 m Elementarteilchen: Teilchen ohne Substruktur (kann aber trotzdem in andere zerfallen) Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik ??? Elementarteilchen: Fermionen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Austauschteilchen: Bosonen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Klassifizierung von Teilchen: Halbzahliger Spin: Fermionen (ein Teilchen im Zustand A) Ganzzahliger Spin: Bosonen (viele Teilchen im Zustand A) Alle Elementarteilchen Alle Wechselwirkungsteilchen Hardronen Quarks und Baryonen (q,q,q) Mesonen (q,anti-q) Alle Leptonen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Symmetrien und Erhaltungssätze Symmetrie (r , t ) (r ,t ) Zeitumkehr Parität (Raumsp.) P (r , t ) (r , t ) C Teilchen Antiteilchen C-Parität i i ( ) I e e Isotropie Noether-Theorem: Zu jeder Symmetrie eine Erhaltungsgröße Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Erhaltungsgröße Energie Impuls Ladung Drehimpuls Farbladung Baryonenzahl Leptonenzahl Symmetrien und Erhaltungssätze Bei einigen WW-Prozessen können Symmetrien bzgl. - Parität (Raumspiegelung) - C-Parität (Teilchen und Antiteilchen versch. Verha.) - Zeitumkehr - Isospin - Strangeness, Charmness, ... - Quarkzahl - Mesonenzahl verletzt sein. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Wechselwirkungsprozesse Bei allen Wechselwirkungen gilt insbesondere: • • • • • • Energieerhaltung Impulserhaltung t E E mc2 2 Leptonzahlerhaltung Baryonzahlerhaltung Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Wechselwirkungen koppeln an Ladungen: - Elektrische WW: elektrische Ladung Schwache WW: schwache Ladung Starke WW: Farbladung Gravitative WW: schwere Masse - Verschiedene Kopplungskonstanten, Reichweiten, Wirkungsquerschnitte Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Feynman-Diagramme • • • • • • • Versuchen, die WW graphisch darzustellen Nur Symbolisch zu verstehen Zeigt keine Teilchenflugbahnen Zeitachse zeigt nach rechts Pfeil in Zeitrichtung: Teilchen Pfeil in Gegenrichtung: Antiteilchen Pfeil senkrecht: Virtuelles Teilchen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Elektromagnetische Wechselwirkung Quantenelektrodynamik - E-Felder wirken durch Teilchenaustausch Austauschteilchen Photon oder Gamma Masselos, unendliche Reichweite Koppelt an elektrische Ladung - Photoeffekt, Rutherfordstreuung, Comptoneffekt, Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Elektromagnetische Wechselwirkung e Paarerzeugung e Elektronenstreuung „Schleifen“ e e Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Schwache Wechselwirkung A: von Leptonen - Austauschteilen W ,W , Z 0-Bosonen Große Masse (80/90 GeV), Kurze Reichweite Koppelt an schwache Ladung Austauschteilchen selbst schwach und elektrisch geladen: Interaktion der Bosonen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Schwache Wechselwirkung A: von Leptonen Das Boson borgt sich die Energie, die es zu seiner Erzeugung braucht, muss sie aber zurückzahlen, bevor ihr Fehlen erkennbar wird. e : 511keV t 2E W : 80GeV t 4 1027 s Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Schwache Wechselwirkung A: von Leptonen Zerfall eines Myons über schwache WW. Elektron-NeutrinoSteuung über schwache WW Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen -Auch Quarks tragen schwache Ladung, koppeln daher an schwacher WW. -Quarks können sich dabei in leichtere Quarks umwandeln Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen Quark-Antiquark-Reaktion über schwache WW Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen Beta-Zerfall über schwache WW Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Elektro-Schwache Vereinigung -W-Bosonen tragen elektrische Ladung -daher koppeln Photonen an W-Bosonen -elektrische und schwache WW können nicht mehr strikt getrennt werden -man spricht daher von elektroschwacher WW Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Starke Wechselwirkung Quantenchromodynamik -koppelt an Farbladung (rot, gelb, blau, Antifarben) -Quarks tragen jeweils eine Farbe -Bei der Wechselwirkung ändert sich die Farbe -Gluonen tragen zwei Farben b, r -Alle Prozesse nach außen Farbneutral b Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik r Starke Wechselwirkung -Gluonen koppeln an sich selbst, da sie farbgeladen sind. -Glueballs nach außen Farbneutral Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Starke Wechselwirkung -bindet 2 (Mesonen) Quarks q, q -oder 3(Baryonen) Quarks q,q,q aneinander q q q q q Neutron (d,d,u) (u , d ) Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Starke Wechselwirkung Möglichkeiten, Quarks zu kombinieren (hier: u,d,s) Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Starke Wechselwirkung -Mesonen nicht sehr stabil, 10 8 s -zerfallen über schwache WW -Baryonen zerfallen in leichtere Baryonen, bis hin zum Proton (z.B.Neutron in Proton) Pionzerfall Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Starke Wechselwirkung Starke Wechselwirkung wird mit Entfernung stärker potentielle Energie nimmt mit Entfernung zu Neue Mesonen können entstehen. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Gravitative Wechselwirkung -Das Austauschteilchen, das Graviton wurde noch nie beobachtet -Masselos, unendliche Reichweite -Spielt in Quantenmechanischen Prozessen eine untergeordnete Rolle -Wird daher nicht explizit im Standardmodell erfasst -Verweis auf Einstein: Allgem. Relativitätstheorie Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Experimente zur Teilchenphysik -Höhenstrahlexperimente: Ballon, Boden -Collider-Experimente:Linear, Ring -Experimente mit Kernstrahlung Allg.: „Beobachtung“ der Teilchen durch geeignete Detektoren Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Bsp: Large Hardron collider (LHC) am CERN Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik LHC Speichering am CERN -Protonen werden über EM-Wellen beschleunigt -Über Magnetfelder auf Kreisbahn gezwungen -Aufeinandergeschossen mit hohen Energien -neue Teilchen können entstehen -können mit Detektoren vermessen werden Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Bsp: CMS-Detektor Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Grenzen des Standardmodells Wieso haben die Teilchen Masse? Kopplungskonstanten bei hohen Energien? Leptonzahlerhaltung bei Neutrinooszillationen? Supersymmetrische Teilchen? Dunkle Materie? Warum drei Familien? Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Zusammenfassung Jeweil 6 Leptonen und Quarks mit versch. Ladungen( elektrische, Farbladung) -4 Wechselwirkungen (elmg., schwach, stark, grav.) -Alltagsmaterie aus Baryonen (uud, udd) und Elektronen -Wechselwirkungen gehen im makroskopischen Grenzfall in klassische Modelle über -Weitere Forschung nötig, um Unklarheiten zu klären Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Literaturempfehlungen • Teilchen, Felder und Symmetrien: Quantenfeldtheorie und die Einheit der Naturgesetze, Heidelberg 1985 Bib:2.30 • Lehrbücher zu Quantenfeldtheorie, Quantenelektrodynamik, Quantenchromodynamik. • Lehrbücher zu Kerne und Teilchen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik
