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Institut für HochenergiephysikDas Standardmodell Welche Ordnung steckt hinter dem Teilchenzoo? Was sind die fundamentalen Teilchen? Welchen Kräften und.

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Präsentation zum Thema: "Institut für HochenergiephysikDas Standardmodell Welche Ordnung steckt hinter dem Teilchenzoo? Was sind die fundamentalen Teilchen? Welchen Kräften und."—  Präsentation transkript:

1 Institut für HochenergiephysikDas Standardmodell 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 Institut für Hochenergiephysik 1897 Das Elektron e-e- Thomson Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen Historische Einführung

3 Institut für Hochenergiephysik Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen 1897 Das Photon Planck Einstein Compton Historische Einführung e-e-

4 Institut für Hochenergiephysik 1897 Das Proton e-e Rutherford p Historische Einführung Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen

5 Institut für Hochenergiephysik 1897 Das Neutron e-e n p 1932 Chadwick Historische Einführung Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen

6 Institut für Hochenergiephysik 1897 Das Neutrino e-e p 1932 n 1937 µ 1947 e+e+ Fermi Historische Einführung Pauli Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen

7 Institut für Hochenergiephysik 1897 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. e-e K p 1932 n 1937 µ 1947 e+e Willis Lamb drückte in seiner Nobelpreis-Ansprache1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus: Lamb Historische Einführung Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen

8 Institut für Hochenergiephysik Die Masse des Protons ist ca. 1 GeV/c 2 Das Standardmodell Der Teilchenzoo + - e-e- 1V 1GeV = eV Das Elektronenvolt (eV)

9 Institut für Hochenergiephysik Fermionen (Spin ½) Ladung 0 +2/3 -1/3 d u u d u d LeptonenQuarks Das Standardmodell +1 0 Proton Neutron Baryonen Wechselwirkungen stark schwach Schwerkraft ? Schwache Kraft W, Z Elektromagn. Kraft Starke Kraft g Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) e e uct dsb Das moderne Bild – das Standardmodell

10 Institut für Hochenergiephysik d u s c b t e e Anti -Teilchen Wechselwirkungen stark schwach e Ladung /3 + 1/3 Schwerkraft ? Schwache Kraft W, Z Elektromagn. Kraft Starke Kraft g e d u s c b t LeptonenQuarks Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) Das Standardmodell Das moderne Bild – das Standardmodell

11 Institut für Hochenergiephysik Die schwache Kraft Das Standardmodell 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 schwache WW Uni Wuppertal

12 Institut für HochenergiephysikDas Standardmodell Die starke Kraft FarbeAntifarbe ROTTÜRKIS BLAUGELB GRÜNPINK stärkste Kraft, allerdings Auswirkungen nur auf sehr kleinen Distanzen Farbladung Quarks haben neben der elektrischen Ladung auch noch eine Farbladung 1). Das Kräfteteilchen wird Gluon genannt. Es ist für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich. 1) der Begriff Farbe ist nicht wörtlich zu nehmen; er dient nur der Anschauung Die Farbladung

13 Institut für Hochenergiephysik 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 Das Standardmodell Baryonen q q q q q d u Mesonen q q Die Farbladung

14 Institut für Hochenergiephysik ++ u u u u d d u s c d D s u b b d u u d u d ProtonNeutron Mesonen Baryonen... Atomkern He-Kern ( -Teilchen) Atom Materie Das Standardmodell Bindungszustände

15 Institut für Hochenergiephysik Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber … Das Standardmodell 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. Das Higgs-Boson

16 Institut für Hochenergiephysik e e µ µ Zerfall e e 26 ns 2200 ns Streuprozess e-e- e+e+ e+e+ K K p p e-e- e+e+ e+e+ Das Standardmodell K K Zerfälle & Streuprozesse

17 Institut für HochenergiephysikHorizonte der Teilchenphysik Was ist spontane Symmetriebrechung? Was ist Supersymmetrie ? Was sind die heißen Fragen der Teilchenphysik und Kosmologie?

18 Institut für Hochenergiephysik 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. Die neue Physik

19 Institut für Hochenergiephysik SUSY-Teilchen im Experiment 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. SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Die neue Physik

20 Institut für HochenergiephysikHorizonte der Teilchenphysik Elektromagnetische Kraft schwache Kraftstarke KraftSchwerkraft Elektroschwache Kraft Große Vereinigung ?

21 Institut für Hochenergiephysik 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 Kosmologie und Astrophysik

22 Institut für Hochenergiephysik 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 Kosmologie und Astrophysik Dunkle Materie

23 Institut für Hochenergiephysik 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 Kosmologie und Astrophysik

24 Institut für Hochenergiephysik 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, …) Die neue Physik

25 Institut für HochenergiephysikTeilchenphysik und Kosmologie Es sind noch lange nicht alle Rätsel des Universums gelöst…


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