Das Standardmodell

Standardmodell der Teilchenphysik
Das Konzept des Standardmodells der
Teilchenphysik gliedert sich grob in 2 Bereiche,
mit dessen Hilfe die Materie beschrieben
werden kann. Auf der einen Seite gibt es
Teilchen, auf der anderen Kräfte. Die Teilchen
sind Fermionen und Gliedern sich zu Quarks
und Leptonen, die Kräfte zwischen den
Teilchen werden durch Austauschteilchen
(Bosonen)
vermittelt.
Durch
das
Standardmodell sind die schwache, die starke
und die elektromagnetische Wechselwirkung
beschrieben.
Teilchen
Kräfte
Leptonen
Es gibt 6 verschiedene
Leptonen: Elektron e (511 keV), Myon (105,7 MeV) und Tau (1,78 GeV) tragen
negative Ladung sowie die 3 zugehörigen
Neutrinos, welche ungeladen sind und daher
nur
schwach
wechselwirken.
Im
Standardmodell wird mit einer Neutrino
Ruhemasse von 0 gerechnet, experimentell
wird die Ruhemasse des Elektron-Neutrinos
auf < 2,3 eV bestimmt.
Quarkmodell Im Standardmodell gibt es 6
verschiedene Quarks, eingeteilt in 3 Familien,
jeweils Up Down, Strange Charm, und Bottom
Top, wobei die Up das leichteste und Top das
schwerste ist. Quarks nehmen an allen 3
Wechselwirkungen des Modells teil. Hadronen
sind
die
aus
Quarks
aufgebauten
Materieteilchen,
wobei
zwischen
Valenzquarks (3 oder 2) und Seequarks
unterschieden wird. Um Materieteilchen zu
beschreiben reicht es 3 Valenzquarks zu
kennen, experimentell hat man jedoch
nachgewiesen das Hadronen aus viel mehr
Teilchen bestehen, dies sind virtuelle Quark
Anti-Quark
Paare
(Seequarks),
deren
Quantenzahlen sich im Mittel wegheben.
Quarks werden im Wesentlichen von der
starken Wechselwirkung mit den Gluonen als
Austauschteilchen zusammengehalten. Sie
tragen „Farbladung“, an welche die Gluonen
koppeln. Das Farbpotential wächst linear mit
dem Abstand, daher gibt es keine freien
Quarks (Confinement), sowie insgesamt nur
farb-neutrale Teilchen.
Hadronen
Die Hadronen unterteilen sich
nochmals in 2 Klassen, in Baryonen und
Mesonen. Baryonen bestehen aus 3 Quarks
und ihre Zahl ist in allen Teilchenreaktionen
erhalten (empirisch bewiesen). Mesonen
bestehen aus einem Quark Anti-Quark Paar
und sind daher Bosonen. Es gibt keine
Mesonenzahlerhaltung.
J/Ψ
Es wurden 1974 am SLAC und am BNL
zwei unabhängige Experimente durchgeführt,
an deren Ende die Entdeckung des J/Ψ stand.
Dies war eine unvorhergesehene Bestätigung
des Quarkmodells, da das neue Teilchen durch
das postulierte charm-Quark erklärt wurde.
In Stanford hatte
man am SLAC
über eine e+eKollision
mit
Schwerpunktsenergieen bis zu 8 GeV den
Charm Anti-Charm Zustand Ψ gefunden. Die
Reaktion lief über ein virtuelles Photon ab und
es zeigte sich ein klarer Peak bei 3,1 GeV.
Am Brookhaven National Laboratory schoss
man Protonen auf ein Beryllium Target bei
maximalen Energien von 30 GeV. Der Detektor
(ein „double arm spectrometer“) war dafür
ausgelegt e+e- Ereignisse herauszufiltern. Übrig
blieb
wieder
ein
klarer
Peak
im
Wirkungsquerschnitt bei einer Energie von 3,1
GeV. Das so gefundene Partikel wurde J
getauft.
Quarkonia
Das J/Ψ gehört zur Klasse der
Quarkonia, Zustände aus einem Quark und
dem zugehörigen Antiquark. Das J/Ψ besitzt
angeregte Zustände die man wie das
Positronium als 2-Körper Problem exakt
berechnen kann. Beim Vergleich der beiden
Termschemata fällt auf das sie für kleine
Quantenzahlen formal übereinstimmen, daher
wählt man für das Quark Potential einen
zweigeteilten Ansatz aus einem CoulombTerm und einem linearen Term.
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Die Konstante der starken WW ist vom
Abstand abhängig und wird mit kleinerem
Abstand kleiner, das führt zur „asymptotische
Freiheit“ der Quarks für kleine r. Der lineare
Term ist für das Confinement verantwortlich.
Schwache Wechselwirkung
Die schwache
WW wird durch die Austauschteilchen W+, W(geladen), sowie Z0 (neutral) vermittelt und ist
bei den meisten Prozessen (ausser beim
Zerfall) von den anderen WW überdeckt. Der
Beta Zerfall z.B. lässt sich über einen
geladenen Strom erklären. Um die W und Z
Bosonen experimentell zu bestätigen wurde
1981 das SPS am Cern in ein Proton-AntiProton Collider umgebaut. Ziel war die
Erzeugung reeller Austauschteilchen:
Als Detektoren kamen UA1 und UA2 zum
Einsatz. UA1 zeichnete sich durch eine
zentrale Driftkammer (Central Detector) zur
Spurbestimmung und das „large angle
calorimeter“ aus. Mithilfe des Kalorimeters
war es möglich sehr präzise die gesamte
transversale Energie zu ermitteln und so z.B.
über fehlende Energie auf Neutrinos zu
schließen. Allgemein ist nur die transversale
Energie erhalten, die longitudinale wegen
Bereichen in denen nichts detektiert werden
kann jedoch nicht.
W±
Die W± Bosonen hat man über den
Zerfall gefunden, indem man
nach Elektronen mit hohem transversal Impuls
und parallel nach Spuren mit fehlendem
transversal Energie in gleicher Höhe gesucht
hat. Die anfänglichen 109 Kollisionen wurden
durch Trigger auf etwa 2000 reduziert. Aus
diesen wurden 5 Ereignisse mit dem
gesuchten Muster isoliert. Nach dem
Ausschluss
verschiedener
Untergrund
Ereignisse, welche die Messergebnisse
vortäuschen könnten, wurde das reelle W
Boson bestätigt. Nach neuesten Messungen
beträgt die Masse des W etwa mW = (80,403 ±
0,029) GeV
Auf ähnliche Weise ist man mit dem Z0
Z0
verfahren, über den Zerfall hat man nach zwei Elektronen mit gleichem
transversalen
Impuls
gesucht.
Nach
Anwenden verschiedener Trigger-Stufen und
Auswahlregeln bekam man 4 Ereignisse bei
denen das gesuchte Muster zutrifft. Nachdem
auch hier die Untergrund Ereignisse (z.B.
Zerfall
eines
unbekannten
Quarks)
durchgerechnet und ausgeschlossen wurden,
konnte das reelle Z0 bestätigt werden. Seine
Masse beträgt nach aktuellen Messungen mZ =
(91,1876 ± 0,0021) GeV.
Ausblick
Das Standardmodell ist bei
weitem nicht vollständig. Es ist nicht geklärt
woher
Massen
kommen
(HiggsMechanismus), außerdem gibt es Ansätze um
die WW zu vereinheitlichen, zum einen die
sog. Grand Unified Theory (GUT), oder die
Super Symmetry (SUSY).