Aus dem Particle Data Book 1.3. Fundamentale Wechselwirkungen

WS 2010/11
Physik V
Aus dem Particle Data Book
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1.3. Fundamentale Wechselwirkungen (WW)
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Werden durch relativistisch (invariante)
Quantenfeldtheorie (QFT) beschrieben
WW werden als Austausch von Feldquanten
verstanden
Feldquanten sind Bosonen (Eichbosonen-”gauge
bosons”) mit ganzzahligem Spin (unterliegen der
Bose-Einstein Statistik)
WW folgen aus Symmetrieprinzip (Eichinvarianz)
WW unterscheiden sich durch Stärke, Reichweite
und Erhaltungsgrößen
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Analogie für Austauschkräfte
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Felder: Klassisch und Quantisiert
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Klassisch (z.B. Coulomb, Gravitation,..)

q1 “erzeugt” Feld, Feld vermittelt WW 1->2
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Quantisiert (“Quantenfeldtheorie”)
q1 sendet Feldquanten (z.B. Photonen) aus (erlaubt: ΔEΔt≤ћ/2)
q2 absorbiert Feldquant
Für Feldquant mit Masse M, “Energieunschärfe ΔE≥Mc 2
->“Lebensdauer” Δt≤ћ/2Mc2
->“Reichweite” r0 =c Δt≤ћc/2Mc2
Stärke der WW ~ (Wahrscheinlichkeit, dass Feldquant
ausgesendet prop. zur Ladung q1)
x(Absorptionswahrscheinlichkeit prop. Q2)
Feldquanten, die Kräfte vermitteln, werden virtuell genannt
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Beispiele für die Reichweite von WWen
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Coulomb: M(photon)=0 →r0=ћc/Mc2→∞ [1/r2]
Yukawa (1935): Reichweite der Kernkraft ~1.4
fm→Teilchen mit Mc2=ћc/r0~0.14 GeV→Teilchen mit
der Masse 0.14 GeV/c2 wurde tatsächlich (in der
kosmischen Höhenstrahlung) gefunden: π-Meson –
das leichteste Teilchen mit starker
Wechselwirkung
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Schwache Kraft: M(W)~80 GeV/c2 →r0=2x10-3 fm
(2x10-18 m)
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Gravitation: Formal muss M(“Graviton”)=0 sein
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Überblick der 4 fundamentalen WWen:
Nicht fundamentale WWen: z.B. Van-der Waals Kräfte zwischen
Molekülen bzw. Kernkräfte als Restwechselwirkung, die Protonen und
Neutronen im Kern bindet.
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Feynman-Graphen
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Visualisierung
fundamentaler
Prozesse in QFT
Baukasten für Feynman-Graphen
Mathematisches
Rezept zur
Berechnung
physikalischer
Prozesse
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Physik V
Teilchen A+B treffen
aufeinander
Annihilieren in X
X zerfällt in C und D
(Teilchen oder auch
Teilchenbündel “Jets”)
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Physik V
Teilchen A und B tauschen
Feldquant X aus
Teilchen A(e)->C(e)
Teilchen B(Quark im
Proton)->D(Quark “Jet”)
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Vereinigung der Kräfte
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“Traum”: Alle 4 WWen aus einer fundamentalen “Urkraft”
abzuleiten
In der Vergangenheit war die Vereinigung von Kräften immer ein
großer Durchbruch in der Physik (+Weltbild)

Newton: Himmelskräfte <-> Erdkräfte

Faraday/Maxwell: Elektrizität <-> Magnetismus <->Optik

Weinberg-Glashow-Salam: Elektromagnetismus <->schwache
Kraft -> Elektroschwache WW
Berechtigte Hoffnung: Vereinigung der elektroschwachen und
starken Kraft (beides QFT)
Vereinigung mit Gravitation “ein harter Brocken” (Geometrie)
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1.4 Symmetrien, Quantenzahlen und
Erhaltungssätze
Physik V
Zusammenhang: Symmetrien und
Erhaltungsgrößen (Noether'sches Theorem)
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Physik V
Erhaltunssätze bestimmen Auftreten von
Teilchenreaktionen
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Leptonzahl
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Baryonzahl
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Weitere Quantenzahlen
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Flavourquantenzahlen
(Isospin,Charm,Beauty,Top)
Raum-Zeit/Teilchen- ,AntiteilchenSymmetrie

P: Parität

C: Ladungskonjunktion

T: Zeitumkehr
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Hadronen (Baryonen+Mesonen):
Der Teilchenzoo der “starken” Kraft
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Physik V
Quarks:

Quarks tragen Farbladung (r,g,b)

Starke Kraft wächst mit Abstand
(Selbstwechselwirkung der Gluonen)

Quarks sind immer in farbneutralen Hadronen
gebunden
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Mesonen: Quark + Antiquark-System
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Baryonen:
farbneutrale (r+g+b) 3-Quark-Systeme
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WS 2010/11
1.6 Kerne
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Physik V
aus Martin&Shaw, Appendix E,
vollständige Liste unter http://pdg.lbl.gov
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Physik V
Nuklidkarte (aus Bethe „Kernphysik“)
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Physik V
Kernphysik - Überblick
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WS 2010/11
Physik V
1.7. Methoden der Kern- und Teilchenphysik
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Kern- und Teilchenphysik=
Großgeräteforschung (~1 G€)
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Physik V
Große, internationale
Kollaborationen
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Große Detektoren
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Große Beschleuniger
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Neue Technologien
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„Spin-offs“ (Anwendungen)

www

grid

Diagnose&Tumorbehandlung

Synchrotron-Quellen
(Materialforschung)
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Physik V
Verzahnung mit Kosmologie&Astrophysik
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Frühes Universum=Quantenuniversum (Leptogenese,
Baryogenese, Nukleosynthese)
Dunkle Materie & Dunkle Energie (Jahrhundertfrage)
Sternentwicklung (Fusion, explosive Nukleosynthese,
entartete Materie in weißen Zwergen, Neutronensterne,
schwarze Löcher)
->Astroteilchenphysik
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1.8 Historische Entwicklung (willk. Auswahl)
siehe auch Bethge §1.3
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Zusammenfassung: Kapitel 1
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Kern-und Teilchenphysik=Physik der subatomaren Systeme: Ortsskala<
10-15 m und Energieskala > MeV (106 eV)
Materie zusammengesetzt aus fundamentalen (punktförmigen) Spin-½Teilchen (Fermionen): Quarks und Leptonen
Quarks und Leptonen kommen in 6 „flavours“ (3 Familien)
Vier fundamentale Wechselwirkungen: elektro-magnetisch, schwach,
stark und Gravitation
Wechselwirkungen werden durch den Austausch von Eichbosonen
(Photonen; W,Z; 8 Gluonen; Graviton) beschrieben, die an Ladungen
(elektrische Ladung, schwache Ladung, Farbe und Masse) koppeln
Reichweiten der Wechselwirkungen hängen von den Massen der
Eichbosonen ab
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Physik V
Symmetrien und Quantenzahlen beschreiben, welche Teilchenreaktionen
auftreten (Energieerhaltung, Ladungserhaltung, Leptonzahlen, BZ,..)
Quarks und Gluonen treten nicht als freie Teilchen auf, sondern in
farbneutralen Hadronen (Mesonen, Baryonen)
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Mesonen sind Quark+Antiquark-Systeme, Baryonen sind qqq-Systeme
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Kerne setzen sich aus Protonen und Neutronen zusammen
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Ziel der Kern-und Teilchenphysik ist es, die subatomare Welt mit einer
konsistenten Theorie (Modell) zu beschreiben
Kern-und Teilchenphysik haben eine enge Verbindung zur Kosmologie und
Astrophysik (Astroteilchenphysik)
Methoden der Kern- und Teilchenphysik finden zahlreiche Anwendungen
in Wissenschaft, Technik und täglichem Leben
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