Standardmodell der Teilchenphysik

Seminar zum F-Praktikum WS 08/09
Standardmodell der Teilchenphysik
Das Standardmodell der Teilchenphysik gliedert
sich grob in 2 Bereiche. Der eine Part beschreibt
die Elementarteilchen, der andere die Kräfte und
die zugehörigen Wechselwirkungsteilchen.
Die Teilchen
Die elementaren Bausteine der Materie sind
nach dem Standardmodell die Fermionen. Diese
lassen sich weiter in Quarks und Leptonen
unterteilen.
André Heinsch
und Top- und Bottom-Quark die dritte
Familie. Das Up-Quark ist das leichteste, das
Top-Quark das schwerste.
Die Kräfte
Das Standardmodell besagt weiter, dass es
zu den einzelnen Kräften in der Natur
Teilchen gibt, die diese Wechselwirkung
übertragen. Dies sind die Bosonen.
Die Wechselwirkungsteilchen der schwachen
Kraft sind das W+, das W- und das Z0. Sie
wirken auf alle Quarks und alle Leptonen.
Das Wechselwirkungsteilchen der elektromagnetischen Kraft ist das Photon. Es wirkt
auf Quarks, geladene Leptonen, also
Elektron, Myon und Tauon, sowie auf W+ und
W-.
Für
die
starke
Kraft
sind
die
Es gibt 6 verschiedene Leptonen: Elektron e (511 Wechselwirkungsteilchen die Gluonen. Sie
keV), Myon μ (105,7 MeV) und Tau τ (1,78 GeV) wirken auf Quarks und andere Gluonen. Es
tragen negative Ladung sowie die 3 zugehörigen
gibt 8 verschiedene Gluonen. Die starke
Neutrinos, welche ungeladen sind und daher nur
Kraft ist es, die die Quarks aneinander
schwach wechselwirken. Im
bindet, sodass Hadronen, wie das Proton
Standardmodell wird mit einer Neutrino
oder das Neutron entstehen können. Für die
Ruhemasse von 0 gerechnet, experimentell
vierte elementare Kraft in der Natur, die
wird die Ruhemasse des Elektron-Neutrinos
Gravitation, wurde das zugehörige Teilchen
auf < 2,3 eV bestimmt.
bislang nicht gefunden.
Des weiteren gibt es 6 verschiedene Quarks.
Diese lassen sich in drei Familien unterteilen.
Up- und Down-Quark bilden die erste Familie,
Strange- und Charm-Quark die zweite Familie
Die Entdeckung des J/Ψ-Teilchens
1974 führten zwei Arbeitsgruppen unabhängig
voneinander Experimente durch, an deren Ende
die Entdeckung des J/Ψ-Teilchens stand.
1. Brookhaven-Experiment
Die Gruppe von Samuel Chao Chung Ting am
Brookhaven National Laboratory suchte nach
einer Erklärung des Drell-Yan-Prozesses, der
die Erzeugung von Leptonenpaaren bei HadronHadron-Stößen beschreibt. Es handelte sich um
ein Fixed-Target-Experiment, bei dem Protonen
auf ein Beryllium-Target geschossen wurden.
Die
entstehenden
Elektron-Positron-Paare
wurden identifiziert und gemessen und es ergab
sich das folgendene Massenspektrum.
Der Resonanz in den Wirkungsquerschnitten
bei 3,1 GeV wurde ebenfalls ein neues
Teilchen zugeordnet, das Ψ-Teilchen.
Es stellte sich heraus, dass beide Gruppen
das gleiche Teilchen entdeckten und es
wurde sich auf den Namen J/Ψ geeinigt. Die
Dabei war deutlich ein Peak bei 3,1 GeV/c² zu
erkennen. Diesem wurde ein neues Teilchen
zugeordnet, das J-Teilchen.
Entdeckung des Teilchens wird als
Novemberrevolution der Physik bezeichnet.
Das Teilchen ist so besonders, weil es eine
sehr schmale Zerfallsbreite und somit eine
sehr hohe Lebensdauer hat. Dies ließ sich
nicht mit Hilfe der zu dieser Zeit bekannten
Quarks (up, down und strange) erklären und
man schloss auf die Existenz eines vierten
bis dato unbekannten Quarks. Das charmQuark wurde entdeckt. Das J/Ψ-Teilchen
2. SLAC-Experiment
Die Gruppe von Burton Richter untersuchte am
SPEAR (Stanford Positron Electron Accelerator
Ring) e+e--Stöße mit Schwerpunktsenergien von
2,6 bis 8 GeV. Zur Teilchenidentifikation wurde
der Mark I –Detektor verwendet, der einen
Raumwinkel von 65% abdeckte. Es wurden
dann die Wirkungsquerschnitte gegen die
Energie aufgetragen und es ergaben sich die
folgenden Diagramme.
setzt sich demnach aus einem charm-Quark
und einem anticharm-Quark zusammen.
Dies verhalf dem Quark-Modell zu enormen
Auftrieb.
wurde ein weiteres Teilchen mit einer Masse
Freiheit“ der Quarks für kleine r führt. Aus
dem linearen Term ergibt sich das
Confinement der Quarks.
von 3,7 GeV entdeckt. Es wurde Ψ´ genannt. Es
Um
legte die Vermutung nahe, dass es sich um
Teilchens zu verstehen, wurden in der Folge
die möglichen Zerfälle des Charmoniums
genauestens untersucht.
Der wahrscheinlichste Zerfall geschieht über
die Anlagerung eines oder mehrerer QuarkAntiquark-Paare aus dem Vakuum unter
Bildung von leichteren Mesonen. Dieser
Prozess ist aber erst ab einer bestimmten
Energieschwelle
möglich.
Der
erste
Charmoniumzustand der auf diese Weise
Charmonium
Nur wenige Tage nach der Entdeckung des J/Ψ
einen angeregten Zustand des J/Ψ-Teilchens
handelt. Diese Vermutung wurde mit der
Entdeckung weiterer angeregter Zustände
vollständig bestätigt.
Das J/Ψ als ein Zwei-Quark-System bestehend
aus einem charm-Quark und einem anticharmQuark ist analog zum Positronium aufgebaut,
das aus einem Elektron und einem Positron
zusammengesetzt ist. Daraus resultiert der
Name „Charmonium“.
Beim Vergleich der Energieniveauschemata von
Charmonium und Postronium sind für kleine
Quantenzahlen
große
Ähnlichkeiten
festzustellen.
die
lange
Lebensdauer
des
J/Ψ-
zerfallen kann ist Ψ(3770).
Unterhalb dieser Energieschwelle zerfallen
die Charmoniumzustände über andere
Zerfallskanäle. Die wichtigsten sind hier der
Zerfall über 3 Gluonen zu Hadronen und der
zerfall über virtuelle Photonen zu hadronen
oder Leptonen.
Im Vergleich zu dem starken Zerfall
laufen diese Zerfälle aber wesentlich
langsamer ab, wodurch sich die
verhältnismäßig lange Lebensdauer
des J/Ψ und seinen ersten angeregten
Zuständen erklären lässt.
Bottonium und Toponium
1977 wurde ein neues Meson mit einer
Masse von 9,46 GeV gefunden, das
Daher wählt man für das Quark-potential einen
zweigeteilten Ansatz aus einem coulombartigen
Term und einem linearen Term.
Die Konstante der starken Wechselwirkung αs ist
vom Abstand abhängig und wird mit kleinerem
Abstand kleiner, was zur „asymptotischen
noch schwerer als das J/Ψ-Teilchen und
ebenso langlebig war. Daraus wurde auf die
Existenz eines 5 Quarks geschlossen. Das
bottom-Quark wurde entdeckt. Zusammen
mit dem 1995 entdeckten Top-Quark und
dem
daraus
zusammengesetzten
hypothetischen,
aber
eher
unwahrscheinlichen, Toponiums bildendas
Charmonium und das Bottonium die Gruppe
der Quarkonia.