der Elementarteilchen

Präsentation zum Thema: "der Elementarteilchen"—  Präsentation transkript:

1 der Elementarteilchen
Das Standardmodell Das Standardmodell der Elementarteilchen Welche Ordnung steckt hinter dem Teilchenzoo? Was sind die fundamentalen Teilchen? Welchen Kräften und Wechselwirkungen unterliegen sie? Was ist das Besondere an der starken Kraft? Was sind Mesonen und Baryonen? Welche Rolle spielt das Higgs-Teilchen?

2 e- Das Elektron Thomson 1897  Historische Einführung
Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen e- Das Elektron Thomson erste philosophische Überlegungen zu Elementarteilchen bereits bei den alten Griechen (atomos – das Unteilbare; heute noch in gewissem Sinn gültig: Atome sind mit chemischen Mitteln unteilbar) Beginn der modern-naturwissenschaftlichen Geschichte der Elementarteilchen mit Entdeckung des Elektrons als Teilchen durch Thomson Das Elektron ist bis heute ein elementares Teilchen, seine Ausdehnung liegt unterhalb jeder Messbarkei, es hat höchstens ein Millionstel der Größe eines Atoms klassisches Experiment: Messung der spezifischen Ladung; stellt sich als überraschend groß heraus  sehr kleine Masse des Elektrons im Vergleich zu den aus der Chemie bekannten Molekülmassen Analogie TV  Beschleuniger 1897

3 e- g Das Photon 1900-1924 Planck Einstein Compton 
Historische Einführung Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen e- g Das Photon Planck Einstein Photon – das Lichtteilchen – wurde quasi „wieder entdeckt“: ursprünglich gab es Teilchen-Theorien des Lichts (Newton) später wurden diese zugunsten der Wellentheorie aufgegeben, da nur so die Interferenz- und Beugungseffekte verstanden werden konnten Planck führte aber 1900 (widerwillig) die Idee einer „Quantisierung“ der Lichtenergie ein, um die Strahlung heißer Körper verstehen zu können Einstein verallgemeinerte diese Idee zum Postulat eines Lichtquants, genannt Photon, mit dem er den photoelektrischen Effekt erklären konnte (Nobelpreis) Compton gelang der Nachweis, dass sich Photonen beim Zusammenstoß mit Elektronen tatsächlich wie Teilchen („Billiardkugeln“) verhalten Etablierung der Quantentheorie, wonach Wellen immer auch Teilcheneigenschaften besitzen, und umgekehrt (Dualismus) Compton 1897

4 e- g p Das Proton 1914 Rutherford  Historische Einführung
Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen e- g p Das Proton Rutherford Suche nach dem „fehlenden“ Teilchen in Materie, das den Großteil der Masse trägt und positiv geladen sein muss, um die negative Ladung des Elektrons auszugleichen Modellvorstellung: Elektronen und hypothetische positive Teilchen gleichförmig in Materie verteilt klassisches Experiment von Rutherford: Beschuss einer Goldfolie mit a-Teilchen (schwer, daher unbeeinflusst von Elektronen); überraschendes Ergebnis: Materie besteht großteils aus leerem Raum, positive Ladung und Hauptanteil der Masse in extrem kleinen Bereich konzentriert  Atomkern, Rutherford‘sches Atommodell positives Teilchen im Atomkern des Wasserstoffatoms wird als Proton bezeichnet 1914 1897

5 e- g n Das Neutron p 1932 Chadwick 1914 Historische Einführung 
Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen Chadwick e- g n Das Neutron p aus der Chemie bekannte Atommassen zeigen, dass es im Atomkern noch weitere, neutrale Teilchen geben muss (Beispiel: He hat zwei Elektronen, folglich zwei Protonen im Kern, aber vierfache Atommasse als Wasserstoff mit einem Proton) Nachweis dieses neutralen Teilchens gelang Chadwick durch Beschuss von Berillium mit a-Teilchen, wodurch unter Abstrahlung eben dieses neutralen Teilchens – dem Neutron - eine Umwandlung in Kohlenstoff erfolgte Was für andere Kräfte sind da im Spiel?  Welche Kraft hält Protonen und Neutronen zusammen? Fundamental andere Wechselwirkung: „starke Kraft“ 1932 1897 1914

6 e- g n Das Neutrino p n µ p e+ 1932 Pauli Fermi 1947 1914 1937
Historische Einführung  Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen e- g n Das Neutrino p n Pauli Fermi p e+ die Entdeckung des „Geisterteilchens“ Neutrino erfolgte auf sehr indirektem Weg: Wolfgang Pauli postulierte 1930 ein neues Teilchen, um den b-Zerfall zu erklären beim Prozess der radioaktiven b-Strahlung, bei der ein hochenergetisches Elektron aus dem Atomkern abgestrahlt wird, wurde nicht verstanden, warum die Energie dieses Elektrons stark schwankte, obwohl nach den Gesetzen von Energie- und Impulserhaltung die Energie immer dieselbe sein sollte (Vergleich: Geschwindigkeit einer Gewehrkugel hängt von der chemischen Energie des Schießpulvers ab und ist daher immer (ungefähr) gleich) zeitweise wurde sogar die Gültigkeit der Energieerhaltung in Frage gestellt Lösung des Rätsels war aber schlussendlich, dass neben dem Elektron noch ein weiteres Teilchen entsteht, das keine Ladung trägt, praktisch masselos ist, nur sehr schwach mit anderen Teilchen in Wechselwirkung tritt, und daher experimentell nicht nachgewiesen werden kann – das Neutrino Durch aufwändige Experimente gelang dennoch später auch der direkte experimentelle Nachweis Von der Sonne kommen ständig große Mengen an Neutrinos auf die Erde, durchdringen diese aber in der Regel ohne eine einzige Wechselwirkung; nur ein kleiner Teil kann experimentell nachgewiesen werden ( Neutrinoexperimente, siehe auch Vertiefungsvortrag) 1932 1947 1897 1914 1937

7 e- g p n µ p e+ n „I have heard it said that the finder
 Historische Einführung Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen Willis Lamb drückte in seiner Nobelpreis-Ansprache1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus: e- g p „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.“ n Lamb p e+ Zu Beginn der 60er Jahre bis zu 200 Teilchen identifiziert! Eine wichtige Aufgabe war die Klassifizierung all dieser Teilchen, um die Ordnungsprinzipien und Regeln dahinter zu erkennen Analogie zur Chemie (Periodensystem): eine Vielzahl unterschiedlicher Elemente wurden auf vier Grundelemente (Proton, Neutron, Elektron, Gamma als Kraftteilchen) reduziert, aus denen alle Elemente aufgebaut sind. Es konnten sogar durch „Löcher“ im Periodensystem bisher nicht entdeckte Elemente vorhergesagt werden (auch ihre Eigenschaften!)  ebenso konnten in der Elementarteilchenphysik neue Teilchen aufgrund der gefundenen Ordnungsprinzipien vorhergesagt werden n L K 1914 1932 1947 S 1897 1937

8 Die Masse des Protons ist ca. 1 GeV/c2
 Das Standardmodell Der Teilchenzoo  + - e- 1V 1GeV = eV Das Elektronenvolt (eV) eine „Landkarte“ des Teilchenzoos, in der zwei wesentliche Eigenschaften der Teilchen abgelesen werden können: die Lebensdauer (in logarithmischer Skala), und die Masse (in GeV) Vergleich: 1ns: Taktfrequenz eines Computers Insert: Erklärung der Energieeinheit „Elektronenvolt“: jene Energie, die ein Elektron erfährt, wenn es in einem elektrischen Feld mit 1 Volt Spannung beschleunigt wird. Typische Einheit der Hochenergiephysik ist das Gigaelektronenvolt (GeV = 1 Milliarde eV), also der Energie, die ein Elektron bei einer Spannung von 1 Milliarde Volt (!) bekommen würde. Aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie („E=mc²“) kann GeV auch als Einheit für Masse verwendet werden Zum Vergleich: ein Proton hat die Masse von etwa 1 GeV, ein Elektron nur etwa ein zweitausendstel davon die Lebensdauer gibt an, wie lange es durchschnittlich dauert bis das Teilchen zerfällt. Sie kann sehr unterschiedlich sein, wie man auf der Landkarte sehen kann Es gibt stabile und instabile Teilchen. das Verständnis dieser Landkarte – warum es offensichtlich einige „Inseln“ gibt, warum die Lebensdauern und Massen genau so sind wie sie sind – ist eines der großen Ziele und Errungenschaften der Hochenergiephysik Die Masse des Protons ist ca. 1 GeV/c2

9 g Wechselwirkungen ? Fermionen (Spin ½) ne nm nt u c t m e t d s b d u
Das Standardmodell Das moderne Bild – das „Standardmodell“ Wechselwirkungen stark schwach Schwerkraft ? Schwache Kraft W, Z Elektromagn. Kraft g Starke Kraft Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) Fermionen (Spin ½) Leptonen Quarks Ladung ne nm nt +2/3 u c t m -1 e t -1/3 d s b d u d u das Standardmodell ist Grundlage des heutigen Verständnisses der Elementarteilchenphysik; es erlaubt theoretische Vorhersagen in mitunter atemberaubender Präzision, und hat sich bisher allen experimentellen Versuchen widersetzt, es zu widerlegen Es beschreibt eine Anzahl sog. Fundamentalteilchen, die selbst keine weitere innere Struktur besitzen, und ihre Wechselwirkungen, die sich auf vier physikalische Grundkräfte reduzieren. Diesen Wechselwirkungen werden ebenfalls fundamentale Teilchen zugeordnet, die diese Wechselwirkungen vermitteln es gibt zwei fundamentale Klassen von Fundamentalteilchen, die Leptonen und die Quarks. In beiden Klassen gibt es je drei Generationen von je zwei Teilchen (Dubletts). Quarks unterscheiden sich von Leptonen durch ihre Farbladung ( starke Kraft), die zwei Teilchen eines Dubletts durch ihre elektrische Ladung. Die unterschiedlichen Generationen unterscheiden sich nur durch die Masse der Teilchen. All diese Teilchen haben einen Eigendrehimpuls (Spin) von einem halben Wirkungsquantum. Wechselwirkungen sind eine Verallgemeinerung des Kraftbegriffs und schließen auch die Umwandlung von Teilchen ineinander ein. Sie werden durch Teilchen mit ganzzahligem Spin (bis auf die Schwerkraft Spin 1) vermittelt, die als Bosonen bezeichnet werden. die Schwerkraft ist bei weitem die schwächste Kraft (Beispiel: bei einem Sprung ist die Muskelkraft eines einzelnen Menschen größer als die Schwerkraft der ganzen Erde), und spielt in der Elementarteilchenphysik üblicherweise keine Rolle ( Ausnahme: mögliche Produktion schwarzer Mini-Löcher – aber nur unter gewissen, experimentell nicht abgesicherten, theoretischen Annahmen über zusätzliche Dimensionen). In der Makrophysik ist sie nur deswegen von Bedeutung, weil sich alle anderen Kräfte auf großen Skalen ausgleichen (Anziehung und Abstoßung), während die Schwerkraft immer anziehend wirkt. Es gibt bis heute keine befriedigende Quantentheorie der Schwerkraft, deswegen ist das zugehörige Wechselwirkungsteilchen Graviton noch rein hypothetisch die elektromagnetische Kraft vereinheitlicht nicht nur elektrische- und magnetische Kräfte, sondern ist die fundamentale Kraft hinter beinahe jeder Kraft der Alltagswelt (Federkraft, Muskelkraft, Kraft eines Motors, etc.). Vermittelt wird diese Wechselwirkung durch das Photon. Die schwache Kraft (schwächer als die elektromagnetische Kraft, aber immer noch weit stärker als die Schwerkraft) ist die einzige Kraft, die auf alle Fundamentalteilchen – einschließlich der Neutrinos – wirkt. Sie ist auch die einzige Wechselwirkung, die eine gewisse Umwandlung der Fundamentalteilchen ineinander erlaubt – und damit der Grund, warum die 2. und 3. Generation der Teilchen nicht stabil ist, sondern stets in die (leichteste) 1. Generation zerfällt. Vermittelt wird die schwache Kraft durch das W- und Z-Boson. +1 Proton Neutron Baryonen

10 g Anti-Teilchen -2/3 +1 +1/3 Wechselwirkungen d u s c b t e ne m t nm
Das Standardmodell Das moderne Bild – das „Standardmodell Anti-Teilchen Leptonen Quarks Wechselwirkungen Ladung d u s c b t stark e ne m t nm nt ne nm nt -2/3 u c t Starke Kraft g g +1 t +1/3 e m d s b Elektromagn. Kraft Schwache Kraft W, Z zu allen Teilchen gibt es jeweils auch ein zugehöriges Antiteilchen, das dieselbe Masse, aber umgekehrte Ladung (und komplementäre Farbladung) besitzt. durch Kombination eines Quarks mit einem Antiquark der entsprechenden komplementären Farbladung lässt sich ein stabiler („weißer“) Bindungszustand herstellen, der als Meson bezeichnet wird (eine entsprechende Bindung von zwei Quarks – oder zwei Antiquarks – ist nicht möglich) Schwerkraft ? schwach Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)

11 Die schwache Kraft Kurze Reichweite, wirkt auf alle Teilchen
 Das Standardmodell Die schwache WW Die schwache Kraft Kurze Reichweite, wirkt auf alle Teilchen 3 Kräfteteilchen: W+, W-, Z Einzige Wechselwirkung, die eine Umwandlung der Quarkart erlaubt (Beispielprozess: Umwandlung von d in u Quark beim Beta-Zerfall): Die “Schwachheit” der schwachen Wechselwirkung ist in Wahrheit nur ein Effekt, der bei Energien auftritt, die wesentlich geringer als die Massen der W- und Z-Bosonen sind. Da diese Massen aber relativ groß sind (zwischen 80 und 90 GeV bzw. Protonenmassen), ist das in vielen typischen Prozessen der schwachen Wechselwirkung der Fall. Andererseits werden in modernen Beschleunigern routinemäßig so hohe Energien erreicht, dass die Stärke dieser Kraft vergleichbar mit der elektromagnetischen wird. Diese Energieabhängigkeit der Stärke einer Wechselwirkung ist übrigens nicht alleinige Eigenschaft der schwachen Kraft, jede Kraft zeigt dieses Verhalten mehr oder weniger stark. Ein weiters Beispiel für einen Prozess, der auf der schwachen Wechselwirkung beruht, ist der Fusionsprozess in der Sonne, was die unmittelbare Bedeutung der schwachen WW für unser Leben demonstriert. Uni Wuppertal

12  Das Standardmodell Die Farbladung Die starke Kraft stärkste Kraft, allerdings Auswirkungen nur auf sehr kleinen Distanzen Quarks haben neben der elektrischen Ladung auch noch eine „Farbladung“ 1) . Das Kräfteteilchen wird Gluon genannt. Es ist für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich. Farbladung Farbe Antifarbe ROT TÜRKIS BLAU GELB GRÜN PINK die starke Kraft ist verantwortlich für die Bindung von Quarks – sie ist so stark, dass sie elektrische Abstoßungskräfte bei weitem übertrifft, und es sogar unmöglich macht Quarks voneinander zu trennen und einzeln zu beobachten. Die Art der Kraft wird durch die sog. Farbladung der Quarks bestimmt, wobei die einfache Regel gilt, dass nur dann stabile Bindungen zwischen Quarks auftreten können, wenn sich als Gesamtfarbladung weiß ergibt (nach den Regeln der additiven Farbmischung); dadurch ist auch die Ganzzahligkeit der elektrischen Ladung garantiert. Dabei ist der Begriff „Farbe“ hier als Analogie zu sehen um komplexe mathematische Zusammenhänge zu veranschaulichen, und hat nichts mit einer wirklichen Farbe des Alltags zu tun. Nur Quarks haben eine Farbladung, auf Leptonen wirkt daher keine starke Kraft. Wechselwirkungsteilchen ist das Gluon. 1) der Begriff Farbe ist nicht wörtlich zu nehmen; er dient nur der Anschauung

13  Das Standardmodell Die Farbladung Quarks können nicht einzeln beobachtet werden (Quark-Confinement). Sie treten immer nur in Bindungszuständen auf: Es gibt zwei Möglichkeiten Teilchen zu bilden: 3 Quarks mit jeweils verschiedenen Farben: Baryonen 2 Quarks mit jeweils einer Farbe und einer Antifarbe: Mesonen d u Mesonen q q Baryonen q Ad Confinement: wie schon erwähnt ist die starke Kraft eben so stark, dass man Quarks nicht von einander trennen kann. Die Kraft wird mit zunehmendem Abstand sogar größer. Ad erstes erscheinendes „Meson“ rechts: Da es aus zwei Farben und keiner Antifarbe besteht, ist dies ein verbotener Zustand, da nur neutrale = weiße Teilchen gebildet werden.

14 ... ... p+ K-  L0 D+ d u d b u s c b d u d u u u u s u d D++ Mesonen
Das Standardmodell Bindungszustände p+ K-  D+ d u d b ... Mesonen u s c b d u d u u u ... Baryonen u s u d Proton Neutron D++ L0 ausgehend vom „Legobaukasten“ des Standardmodells lassen sich eine Vielzahl von Bindungszuständen konstruieren, die den experimentell bekannten Elementarteilchen zugeordnet werden können die Materie des Alltags besteht aus nur drei verschiedenen Fundamentalteilchen – den Quarks up & down, sowie dem Elektron. Den Zusammenhalt des Atomkerns garantieren Gluonen (starke Wechselwirkung), die der Elektronenhülle das Photon (elektromagnetische Wechselwirkung) Atomkern Atom He-Kern (a-Teilchen) Materie

15 Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber …
 Das Standardmodell Das Higgs-Boson Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber … Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Dennoch wurde das Standardmodell in vielen Präzisionsmessungen hervorragend bestätigt. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. die Massen der Fundamentalteilchen folgen nicht aus dem Standardmodell, sondern müssen als Parameter „händisch“ eingefügt werden dabei sind aber die Massen keine fundamentale Eigenschaft der Teilchen, sondern ergeben sich erst durch den sog. Higgs-Mechanismus – ohne diesem Mechanismus wären alle Teilchen masselos (eine Erläuterung des Higgs-Mechanismus folgt später in diesem Vortrag)

16 ? nm e p ne µ nm p e- e- e+ e+ p K K p Zerfall Streuprozess 
Das Standardmodell Zerfälle & Streuprozesse nm e p ne Zerfall  26 ns nm  2200 ns K p e- e- K Streuprozess die Wechselwirkung zwischen den Fundamentalteilchen erfolgt entweder durch Zerfälle (in denen ein einzelnes Teilchen ohne äußere Einwirkung in andere Teilchen zerfällt) oder Streuprozesse (in denen mehrere – in aller Regel aber nur zwei – Teilchen einander nahe kommen, Vergleich mit Experiment Rutherford) Streuprozesse können einfach nur die Ablenkung der beiden Stoßpartner zur Folge haben, bei hoher Stoßenergie entstehen aber in der Regel eine Reihe neuer Teilchen – auf genau diese Art können experimentell die instabilen Elementarteilchen hergestellt und erforscht werden („Miniurknall“ – “Wiederbelebung ausgestorbener Teilchen“); auf natürliche Weise entstehen diese Teilchen durch den Aufprall hochenergetischer Teilchen aus dem Weltall auf Teilchen in unserer Atmosphäre  es bilden sich Schauer kurzlebiger Teilchen, die bis auf die Erdoberfläche kommen und die sog. kosmische Strahlung bilden beim Zerfall instabiler Teilchen entsteht eine Reihe von neuen (leichteren) Teilchen, die selbst mitunter wieder weiter zerfallen. Viele extrem kurzlebige Teilchen sind überhaupt nur indirekt über ihre Zerfallsprodukte nachweisbar. die interessante Frage ist natürlich, was genau sich beim Wechselwirkungsprozess abspielt – die Erforschung dieser Prozesse ist Gegenstand der Hochenergiephysik. Als „Lupe“ oder „Mikroskop“ kommen dabei die Teilchenbeschleuniger zum Einsatz... e+ e+ p p ?

17 Was bringt die Zukunft ? Was ist spontane Symmetriebrechung?
Horizonte der Teilchenphysik Was bringt die Zukunft ? Was ist spontane Symmetriebrechung? Was ist Supersymmetrie ? Was sind die „heißen“ Fragen der Teilchenphysik und Kosmologie?

18 Der Weg zur allumfassenden Theorie?
Die „neue“ Physik Supersymmetrie Der Weg zur allumfassenden Theorie? Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien der Natur manifestieren. Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das sog.Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten. Bestimmte Transformationen müssen die Form der Naturgesetze unverändert lassen. Auch bei Spiegelung und Farbänderung bleibt die Monroe immer die Monroe. Jede Symmetrieeigenschaft hat einen Erhaltungssatz zur Folge (Mathematikerin Emmy Noether 1918). Ein Bespiel ist der Neutronzerfall in ein Proton, Elektron und Antielektron-Neutrino: Energieerhaltung: mn > mp + me ( u > u u) Impuls- und Drehimpulserhaltung (führte zur Entdeckung des Elektronneutrinos) Erhaltung der elektrischen Ladung: 0 = +1 – 1 + 0 Erhaltung der Baryonzahl: +1 = Erhaltung der Leptonzahl: 0 =

19 SUSY-Teilchen im Experiment
  Die „neue“ Physik SUSY-Teilchen im Experiment SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Oben im linken Bild sieht man die schematische Darstellung von Produktion und Zerfall von SUSY Teilchen am LHC. Es kollidieren frontal zwei Protonen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit und erzeugen ein Gluino und ein Squark. Das Gluino zerfällt dann in ein Squark und ein Quark, u.s.w.. Dieser so genannte Kaskadenzerfall endet in zwei Quarks, ein Elektron, ein Antielektron-Neutrino und ein stabiles supersymmetrisches ungeladenes Teilchen mit dem Namen Neutralino. Dieses ist der attraktivste Anwärter für die “Dunkle Materie”. Das produzierte Squark durchläuft ebenfalls einen Kaskadenzerfall mit einem Quark, einem Müon, einem Antimüon und wiederum einem Neutralino als Endprodukte. Rechts sieht man die Simulation der entsprechenden Signatur für den CMS Detektor. Die zwei vom Gluino kommenden Quarks bilden einen “jet”(*), das vom Squark stammende einen zweiten. (*) Ein “jet” besteht aus einer großen Anzahl einzelner Teilchen, die sich in ungefähr gleicher Richtung bewegen ( im obigen Bild rot dargestellt), und entsteht, weil Quarks nicht einzeln existieren können (“confinement”) und deswegen mit aus dem Vakuum entstehenden Quark-Antiquark-Paaren gebundene Zustände (Baryonen, Mesonen) bilden. Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am Tevatron in den USA, am LHC im CERN und am geplanten e+ e- Linear Collider.

20 ? Elektromagnetische Kraft Elektroschwache Kraft schwache Kraft Große
Horizonte der Teilchenphysik Elektromagnetische Kraft Elektroschwache Kraft schwache Kraft Große Vereinigung starke Kraft Es gibt vier verschiedene fundamentale Kräfte in der Natur Elektromagnetische Kraft. Elektrizität, Magnetismus, Licht Schwache Kraft: Schwache Kernkraft Zerfall von Atomkernen Starke Kraft: Starke Kernkraft, Bindung von Atomkernen Schwerkraft: Wirken zwischen Himmelskörpern Unserer derzeitige Standardtheorie besagt folgendes: Bei höheren Temperaturen kann die elektromagnetische Kraft und die schwache Kraft zur elektroschwachen Kraft vereinigt werden. Bei noch höheren Temperaturen vereinigt sich auch noch die starke Kraft mit der elektromagnetischen Kraft zur so genannten Großen Vereinigung. Es ist jedoch bis jetzt noch nicht gelungen, die Große Vereinigung von elektromagnetischer, schwacher und starker Kraft bei noch höheren Temperaturen der zur so genannten Theorie für Alles zu vereinigen. Solche hohe Temperaturen gab es im Universum ganz zu Beginn beim Urknall (bis Sekunden nach dem Urknall). Weil wir eine „Theorie für Alles „ (noch) nicht kennen, ist es auch noch nicht möglich, den Beginn unseres Universums durch eine Theorie zu beschreiben. Theorie für Alles ? ? Schwerkraft

21 Woraus ist das Universum aufgebaut?
Kosmologie und Astrophysik Woraus ist das Universum aufgebaut? Unser Universum setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: Nur 4% normale Materie: Sterne, interstellare Materie Größte Teil des Universum besteht aus Unbekanntem: 1/3 aus „Dunklen Materie“ 2/3 aus „Dunklen Energie“ Unser Universum setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: Nur etwa 5% ist die normale sichtbare Materie („Visible Matter“), davon sind nur wieder etwa 1/10 Sterne, 9/10 davon sind interstellare Materie, d.h. die Materie in den Wolken zwischen den Sternen Der größte Teil des Universum besteht jedoch aus Unbekanntem: etwa zu25% aus der sogenannten Dunklen Materie („Dark Matter“) und zu etwa 75% aus der sogenannten Dunklen Energie („Dark Energy“)

22 Kosmologie und Astrophysik
Dunkle Materie Diskrepanz zwischen beobachteten und berechneten Massen in Galaxien und Galaxienhaufen Sterne bewegen sich zu rasch um die Zentren der Galaxien Galaxienhaufen würde sich in ihre Bestandteile auflösen Beide Beobachtungen nur durch eine zusätzliche Gravitationsanziehung erklärbar

23 Kosmologie und Astrophysik
Dunkle Energie Bewirkt eine Beschleunigung der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums Auf Grund der Gravitationsanziehung der Materie Abbremsung der Ausdehnung des Universums Aber Beobachtungen ergaben: Universum dehnt sich immer schneller aus Grund: Dunkle Energie Die Dunkle Energie bewirkt eine Beschleunigung der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums Normalerweise müsste man annehmen, dass auf Grund der Gravitationsanziehung der Materie die Ausdehnung des Universums abgebremst wird Messungen der Leuchtkraft von Sternexplosionen (Supernovae) in der weit entfernten Vergangenheit ergaben jedoch, dass sich früher das Universum langsamer ausgedehnt hat und nun immer schneller ausdehnt. Der Grund dafür ist die so genannte Dunkle Energie

24 Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik
Die „neue“ Physik Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik (die zur Zeit experimentell untersucht werden) • Wie bekommen die Teilchen eine Masse? (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen?) Warum sind diese Massen so unterschiedlich? • Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie (SUSY)  ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen. Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums? • Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? • Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse? • Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich der Gravitation? • Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …) Anmerkung: die Gravitation nimmt noch immer eine Sonderstellung ein, da man bis heute nicht weiß, ob es analog zu den anderen drei fundamentalen Kräften auch ein Kräfteteilchen (das Graviton) gibt ( Quantengravitation).

25 Es sind noch lange nicht alle Rätsel des Universums gelöst…
Teilchenphysik und Kosmologie Es sind noch lange nicht alle Rätsel des Universums gelöst… Ende