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Teilchenzoo? Ja!!!

Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen WS 2004/2005 Das Standardmodell der Teilchenphysik 29.10.2004. Teilchenzoo? Ja!!!. Was ist das Standardmodell? Beschreibt Teilchen und ihre Wechselwirkungen Fasst experimentelle Daten zusammen Macht Vorhersagen über noch unbekannte Teilchen

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Teilchenzoo? Ja!!!

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Presentation Transcript

  1. Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen WS 2004/2005Das Standardmodell der Teilchenphysik29.10.2004 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  2. Teilchenzoo? Ja!!! Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  3. 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

  4. 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

  5. Vorstoß ins Unbekannte Wie tief kennen wir die Substruktur der Materie? Elementarteilchen: Teilchen ohne Substruktur (kann aber trotzdem in andere zerfallen) ??? Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  6. Elementarteilchen: Fermionen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  7. Austauschteilchen: Bosonen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  8. Klassifizierung von Teilchen: Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  9. Symmetrien und Erhaltungssätze Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  10. Symmetrien und Erhaltungssätze Bei einigen WW-Prozessen können Symmetrien bzgl. - Parität (Raumspiegelung) • C-Parität (Teilchen und Antiteilchen versch. Verha.) • Zeitumkehr • Isospin • Strangeness, Charmness, ... • Quarkzahl • Mesonenzahl verletzt sein. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  11. Wechselwirkungsprozesse Bei allen Wechselwirkungen gilt insbesondere: • Energieerhaltung • Impulserhaltung • Leptonzahlerhaltung • Baryonzahlerhaltung Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  12. 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

  13. 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

  14. 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

  15. Elektromagnetische Wechselwirkung Paarerzeugung „Schleifen“ Elektronenstreuung Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  16. 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 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  17. 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. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  18. Schwache WechselwirkungA: von Leptonen Zerfall eines Myons über schwache WW. Elektron-Neutrino- Steuung über schwache WW Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  19. 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

  20. Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen Quark-Antiquark-Reaktion über schwache WW Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  21. Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen Beta-Zerfall über schwache WW Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  22. 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

  23. 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 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  24. Starke Wechselwirkung -Gluonen koppeln an sich selbst, da sie farbgeladen sind. -Glueballs nach außen Farbneutral Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  25. Starke Wechselwirkung -bindet 2 (Mesonen) Quarks -oder 3(Baryonen) Quarks q,q,q aneinander q q q Neutron (d,d,u) Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  26. Starke Wechselwirkung Möglichkeiten, Quarks zu kombinieren (hier: u,d,s) Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  27. Starke Wechselwirkung -Mesonen nicht sehr stabil, -zerfallen über schwache WW -Baryonen zerfallen in leichtere Baryonen, bis hin zum Proton (z.B.Neutron in Proton) Pionzerfall Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  28. Starke Wechselwirkung Starke Wechselwirkung wird mit Entfernung stärker • potentielle Energie nimmt mit Entfernung zu • Neue Mesonen können entstehen. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  29. 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

  30. 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

  31. Bsp: Large Hardron collider (LHC) am CERN Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  32. 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

  33. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  34. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  35. Bsp: CMS-Detektor Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  36. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  37. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  38. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  39. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

  40. 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

  41. 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

  42. 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 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

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