Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

1. Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen g u u g g d Sebastian Frank Für Neugierige von 15 bis 18 Jahren

2. Photon Lichtteilchen g Elektron e- Elementarteilchen: Übersicht Was ist ein Elementarteilchen? Elementar: Bis heute keine Zusammensetzung aus noch kleineren Teilchen gefunden (Atom nicht elementar!) Quantentheorie: Materie- und Kräfteteilchen haben sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter „Welle-Teilchen Dualismus“ Beispiele: Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

3. Elektronen bilden Atomhülle im Alltag: Leuchtschirme Fernseher = Beschleuniger Elementarteilchen: Übersicht Thomson (1897) e- Das Elektron Masse: 0,511 MeV = 9,1 10-31 kg Ladung: -1,6 10-19 C = -1e 1897 Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

4. e-  Das Photon Einstein Planck Compton Elementarteilchen: Übersicht Masse: 0 (masselos) Ladung: 0 (neutral) „Photoelektrischer Effekt” Wichtiger Schritt Richtung Quantenmechanik 1900-1924 1897 Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

5. e-  p Das Proton Rutherford Elementarteilchen: Übersicht ist nicht elementar! Masse: 938,3 MeV = ca. 1836 me Ladung: +1e Vorkommen: Atomkern 1914 1897 1900-1924 Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

6. Photonaustausch g Gebundener Zustand dank Elektromagnetismus Elementarteilchen: Das Atom Das Wasserstoffatom e- P+ Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

7. < 10-18 m 10-14 m 10-10 m Elementarteilchen: Das Atom 10-14 m e- e- P+ e- e- Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

8. Elementarteilchen: Der Atomkern Der Wasserstoffkern – das Proton besteht aus zwei „up-Quarks“ und einem „down-Quark“! P+ Elektrische Ladung 2/3 u u 2/3 d - 1/3 Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt! Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen? Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

9. g g g g g g u u d g Elementarteilchen: Kräfte Die starke Kraft (Kernkraft) 3 Farbladungen 8 Gluonen (Kraftteilchen) (Farbe dient hier nur als anschauliches Analogon) Messbare Objekte sind farbneutral! Es existieren somit keine freien Quarks (Physik-Nobelpreis 2004) Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

10. u Elementarteilchen: Zwillingspartner Antiteilchen: Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen, aber umgekehrte Ladung e- e+ Elektron Positron u up anti-up Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

11. g g g d Drei Bindungsmöglichkeiten: (q q q) = (Proton, Neutron, …) (q q q) = (Antiproton, Antineutron, …) und (q q) = (Pionen, …) Baryonen Elementarteilchen: Zusammengesetze Teilchen Pionp+ u 2/3 1/3 Hadronen - Mesonen Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

12. besteht aus einem up Quark und zwei down Quarks u d d Elementarteilchen: Zusammengesetze Teilchen Das Neutron P+ 2/3 - 1/3 - 1/3 u d + ? Es gibt Umwandlung von „up“- nach „down“-Quark … 2/3 = -1/3 + 1 Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

13. W+ u u u d Neutron Proton d d e+ ne Elementarteilchen: Kernfusion & schwache Kraft Die schwache Kraft Im Zentrum der Sonne wird Wasserstoff (= Proton) zu Helium (zwei Protonen und zwei Neutronen) fusioniert. Dadurch leuchtet sie. Doch wie funktioniert das im Detail? Startprozess ist die Fusion von 2 Protonen zu Deuterium (Proton + Neutron). Dabei wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und sendet ein W+-Boson (Vermittler der schwachen Kraft) aus, das in ein e+ und e-Neutrino zerfällt. 25‘ Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

14. Elementarteilchen: Kernfusion & schwache Kraft Kernfusion in der Sonne Proton-Proton-Reaktion 1H+ + 1H+ → 2H+ + e+ + ne + 0,42 MeV ne ne Wegen schwacher Kraft passiert diese Reaktion sehr selten (nur alle 10 Milliarden Jahre!). Durch große Anzahl von Protonen im Sterninneren geschieht dies jedoch häufig genug. Nach nur ca. 1,4 Sekunden: 2H+ + 1H+ → 3He2+ + g + 5,49 MeV g g 3He2+ +3He2+ → 4He2+ + 1H+ + 1H+ + 12,86 MeV Dank der schwachen Kraft ist unsere Sonne so „langlebig“! g ne Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

15. W+ Z0 W- Elementarteilchen: Schwache Kraft Es gibt 3 Vermittlerteilchen der schwachen Kraft: Sie sind sehr schwer (80 u. 91 GeV) und wurden daher erst sehr spät entdeckt (1983 im CERN am SPS Ring)(Nobelpreis 1984 an S. van der Meer und C. Rubbia) Was gibt es noch für Teilchen? … Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

16. µ- Das Müon • Hess (1936) • Anderson • Neddermeyer • Street, Stevenson e-  p n  Elementarteilchen: Übersicht Masse: 150,7 MeV Ladung: -1e Vorkommen: Höhenstrahlung Instabil! (2 10-6 s) Nachweis: Funkenkammer! 1937 1914 1897 Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

17. e-  p n µ  e+   K  Elementarteilchen: Teilchenzoo Dann wurden in rascher Folge viele Teilchen entdeckt: Charakteristika: Hohe Masse, kurze Lebensdauer Willis Lamb drückte in seiner Nobelpreis-Ansprache 1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus: „I have heard it said that the finder of a new elementary particle used to be rewarded by a Nobel Prize, but such a discovery now ought to be punished by a $10,000 fine.“ Lamb 1914 1947 1947-... 1932 1897 Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

18. e-  p n u u µ d u  d d e+   K  Elementarteilchen: Lösung des Teilchenzoos Auflösung des Rätsels kam 1969: „Quantenchromodynamik“ (starke Kraft) Alle neu gefunden, schweren Teilchen (Hadronen) bestehen aus Elementarteilchen, „Quarks“, welche eine Farbladung tragen Dadurch kommt Ordnung in das Chaos, das Standardmodell der Elementarteilchenphysik entsteht … Proton Neutron 1914 1947 1947-... 1932 1897 Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

19. Antimaterie u c t -2/3 s s b 1/3 t ne m- ne nm nt nm nt 0 d t+ m+ t- m- e+ +1 c 3. Gen. • Gen. 2. Gen. 3. Gen. 2. Gen. b Das Standardmodell Das Standardmodell der Elementarteilchen Materie u 2/3 d -1/3 El. Ladung ne 0 e- -1 • Gen. Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

20. g g g g W+ g g g g Z0 g g g g W- Das Standardmodell Kräfte Starke Kraft Gluonen Schwache Kraft W- u. Z-Bosonen Elektromagnetische Kraft Photon Gravitation – Graviton? extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften, in Beschleunigerexperimenten vernachlässigbar Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

21. Das Standardmodell Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es verleiht den anderen Teilchen überhaupt erst Masse! Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Der Theoretiker Peter Higgs vor dem ATLAS- Detektor, der „sein“ Higgs-Teilchen finden wird Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

22. Erweiterungen des Standardmodells Das Higgs kann aber noch nicht alles sein … wird werden noch Unbekanntes entdecken müssen, da wir einiges noch nicht verstehen: Woraus besteht die Dunkle Materie und Dunkle Energie? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte? Gibt es eine allumfassende Symmetrie wie Supersymmetrie? Gibt es verborgene Extra Dimensionen? 10‘ Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

23. Vom Mikroskop zum Beschleuniger Wie kann man Elementarteilchen erforschen? … mit dem Mikroskop? sichtbares Licht (380-750nm)Wellenlänge = Auflösung Wir brauchen viel stärke Auflösung! Jedoch:Kurze Wellenlänge = hohe Energie Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

24. Vom Mikroskop zum Beschleuniger Wegen berühmter Formel E = mc2(d.h. Energie entspricht Materie)können bei sehr hoher Energie neue Teilchen entstehen! Keine „passive“ Betrachtung von Materie mehr, sondern „aktive“ Erzeugung von Materieteilchen! Durch Beschleunigung von Teilchen auf hohe Energien und anschließender Kollision können wir neue, noch unbekannte Teilchen erzeugen und studieren! „Mini-Urknall“ Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

25. Beschleuniger Der Large Hadron Collider

26. Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen