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Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik
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?
m??10
???
m110 m910
m910
m1010
m1410
m??10
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 Wechselwirkungs-
teilchen
Hardronen Quarks und
Baryonen (q,q,q)
Mesonen (q,anti-q)
Alle Leptonen
Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik
Symmetrien und Erhaltungssätze
Symmetrie Erhaltungsgröße
Zeitumkehr Energie
Parität (Raumsp.) Impuls
C-Parität Ladung
Isotropie Drehimpuls
Noether-Theorem: Zu jeder Symmetrie eine Erhaltungsgröße
Farbladung
Baryonenzahl
Leptonenzahl
),(),( trtr
),(),( trtrP
enAntiteilchTeilchenC )(
ii eeI
Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik
Symmetrien und Erhaltungssätze
Bei einigen WW-Prozessen können Symmetrien bzgl.- Parität (Raumspiegelung)- C-Parität (Teilchen und Antiteilchen versch. Verha.)- Zeitumkehr- Isospin - Strangeness, Charmness, ...- Quarkzahl- Mesonenzahlverletzt sein.
Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik
Wechselwirkungsprozesse
• Energieerhaltung• Impulserhaltung• • • Leptonzahlerhaltung• Baryonzahlerhaltung
2mcE 2
Et
Bei allen Wechselwirkungen gilt insbesondere:
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 WechselwirkungQuantenelektrodynamik
- 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
Paarerzeugung
„Schleifen“
e
e
e
e
Elektronenstreuung
Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik
Schwache WechselwirkungA: von Leptonen
- Austauschteilen -Bosonen- Große Masse (80/90 GeV), Kurze Reichweite- Koppelt an schwache Ladung- Austauschteilchen selbst schwach und elektrisch
geladen: Interaktion der Bosonen
0,, ZWW
Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik
Schwache WechselwirkungA: von Leptonen
Das Boson borgt sich die Energie, die es zu seiner Erzeugung braucht, muss sie aber zurückzahlen, bevor ihr Fehlen erkennbar wird.
keVe 511: GeVW 80:
stEt 271042
Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik
Schwache WechselwirkungA: von Leptonen
Zerfall eines Myons über schwache WW.
Elektron-Neutrino-Steuung über schwache WW
Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik
Schwache WechselwirkungB: 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-Reaktionüber 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 WechselwirkungQuantenchromodynamik
-koppelt an Farbladung (rot, gelb, blau, Antifarben)
-Quarks tragen jeweils eine Farbe
-Bei der Wechselwirkung ändert sich die Farbe
-Gluonen tragen zwei Farben
-Alle Prozesse nach außen
Farbneutral
b r
rb,
Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik
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
-oder 3(Baryonen) Quarks q,q,q aneinander
qq,
q
q
q
q
q
Neutron (d,d,u) ),( du
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Starke Wechselwirkung
Möglichkeiten, Quarks zu kombinieren (hier: u,d,s)
Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik
Starke Wechselwirkung
-Mesonen nicht sehr stabil,
-zerfallen über schwache WW
-Baryonen zerfallen in leichtere
Baryonen, bis hin zum Proton
(z.B.Neutron in Proton)
s810
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