Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen
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Institut für Hochenergiephysik 1a. Geschichte der Elementarteilchen • • • • • • Institut für Hochenergiephysik Welche Teilchen gibt es? Wie wurden sie entdeckt? Was sind die Bestandteile der Materie? Was sind kosmische Strahlen? Was sind seltsame Teilchen? Was ist der sogenannte “Elementarteilchenzoo”? Historische Einführung Institut für Hochenergiephysik Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen e- Das Elektron Thomson 1897 Historische Einführung Institut für Hochenergiephysik Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen eg Das Photon Planck Einstein Compton 1897 1900-1924 Historische Einführung Institut für Hochenergiephysik Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen e- p Das Proton Rutherford 1897 1914 1900-1924 g Historische Einführung Institut für Hochenergiephysik Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen Chadwick n 1897 Das Neutron 1914 1900-1924 e- p 1932 g Historische Einführung Institut für Hochenergiephysik Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen • Hess • Anderson, Neddermeyer e- • Street, Stevenson µ Das Müon g p n 1897 1914 1900-1924 1937 1932 Historische Einführung Institut für Hochenergiephysik Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen ep Das Pion g p n µ Yukawa 1897 1914 1900-1924 Powell 1937 1932 1947 Historische Einführung Institut für Hochenergiephysik Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen ee+ Das Positron (Antimaterie) p Anderson Dirac 1897 1914 1900-1924 1932 1937 g 1947 n µ p Historische Einführung Institut für Hochenergiephysik Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen en Das Neutrino p Pauli Fermi n µ e+ 1897 1914 1900-1924 g 1932 1937 1947 p Historische Einführung Institut für Hochenergiephysik Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen L K Rochester, Butler, ... Seltsame Teilchen S e- p n µ e+ 1897 g 1914 1900-1924 1932 1937 1947 1947-... p n Historische Einführung Institut für Hochenergiephysik Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen Willis Lamb drückte in seiner Nobelpreis-Ansprache1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus: e- „I have heard it said that the finder of a new elementary particle used to be rewarded by a Nobel Prize, but such a discovery now ought to be punished by a $10,000 fine.“ g p n Lamb µ e+ p n L K 1897 1914 1900-1924 1932 1937 1947 1947-... S 1b. Das Standardmodell Institut für Hochenergiephysik • Welche Ordnung steckt hinter dem Teilchenzoo? • Was sind die fundamentalen Teilchen? • Welchen Kräften und Wechselwirkungen unterliegen sie? • Was ist das Besondere an der starken Kraft? • Was sind Mesonen und Baryonen? • Welche Rolle spielt das Higgs-Teilchen? Das Standardmodell Institut für Hochenergiephysik Der Teilchenzoo Lebensdauer (s) 100000 g e- p nn Das Elektronenvolt (eV) Leptonen (Spin ½, keine Farbladung) + Mesonen (Spin 0 oder 1) 1s Baryonen (Spin ½ oder 3/2 ) 1 ms 1 µs 1 ns Kräfteteilchen (Spin 1, Vektor-Bosonen) 1V mm pc e- KL KKcc SSc c - W-- KKSS BB D tt 10-15s 10-20s ww rr SS00 ff 1GeV = 1000000000 eV 2 Ε mc pp00 hh E=1eV (enthält) Teilchen 1. Generation (enthält) Teilchen 2. Generation (enthält) Teilchen 3. Generation D* J/y J/y 3s3s 2s 1s1s2s 4s4s W ±, Zo 10-25s Masse (GeV/c2) Das Standardmodell Institut für Hochenergiephysik Das moderne Bild – das „Standardmodell“ Materieteilchen = Fermionen (Spin ½) Leptonen Ladung Wechselwirkungen Quarks stark 0 ne nm nt +2/3 u c t g -1 e m t -1/3 d s b g Elektromagn. Kraft W, Z Schwache Kraft d u d u u d +1 Neutron Baryonen Schwerkraft schwach 0 Proton ? Starke Kraft Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) Das Standardmodell Institut für Hochenergiephysik Das moderne Bild – das „Standardmodell Anti-Teilchen Leptonen Ladung Quarks u c t ne nm nt nm nt -2/3 u c t 0 ne d s b e m t +1 e t +1/3 d m s b stark Wechselwirkungen g Starke Kraft g Elektromagn. Kraft W, Z Schwache Kraft ? Schwerkraft schwach Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) Das Standardmodell Institut für Hochenergiephysik Die schwache WW Die schwache Kraft Kurze Reichweite, wirkt auf alle Materieteilchen 3 Kräfteteilchen: W+, W-, Z Einzige Wechselwirkung, die eine Umwandlung der Quarkart erlaubt (Beispielprozess: Umwandlung von d- in u-Quark beim Beta-Zerfall): Uni Wuppertal Das Standardmodell Institut für Hochenergiephysik Die Farbladung Die starke Kraft stärkste Kraft, allerdings Auswirkungen nur auf sehr kleinen Distanzen Quarks haben neben der elektrischen Ladung auch noch eine „Farbladung“ 1) . Die zugehörigen Kräfteteilchen werden Gluonen genannt. Sie sind für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich. Farbladung Farbe Antifarbe ROT TÜRKIS BLAU GELB GRÜN PINK 1) der Begriff Farbe ist nicht wörtlich zu nehmen; er dient nur der Anschauung Das Standardmodell Institut für Hochenergiephysik Die Farbladung Quarks können nicht einzeln beobachtet werden (QuarkConfinement). Sie treten immer nur in Bindungszuständen auf: Es gibt zwei Möglichkeiten Teilchen zu bilden: • 3 Quarks mit jeweils verschiedenen Farben: Baryonen • 2 Quarks mit jeweils einer Farbe und einer Antifarbe: Mesonen qq u q q q Baryonen d qq Mesonen Das Standardmodell Mesonen Baryonen Institut für Hochenergiephysik Bindungszustände p+ K- D+ d u d b u s c b u u d d u d u u Proton Neutron u u D++ d ... s ... L0 Atom Atomkern He-Kern (a-Teilchen) Materie Das Standardmodell Institut für Hochenergiephysik Das Higgs-Boson Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber … Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Dennoch wurde das Standardmodell in vielen Präzisionsmessungen hervorragend bestätigt. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Das Standardmodell Institut für Hochenergiephysik Zerfälle & Streuprozesse nm e p Zerfall 26 ns ne µ nm 2200 ns K e- e- p K e+ e+ p p Streuprozess
