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WYP 2005 European Masterclass Das Standardmodell Standardmodell der Elementarteilchenphysik.

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Präsentation zum Thema: "WYP 2005 European Masterclass Das Standardmodell Standardmodell der Elementarteilchenphysik."—  Präsentation transkript:

1 WYP 2005 European Masterclass Das Standardmodell Standardmodell der Elementarteilchenphysik

2 Institut für HochenergiephysikTeilchenphysik und Kosmologie t = 0 s Urknall: Alle vier Grundkräfte (Gravitation, elektromagnetische, schwache und starke Kraft) sind bei der sog. Planck-Energie (10 19 GeV) vereinheitlicht t = s Die starke Kraft spaltet sich bei GeV ab t = s Elektroschwache Symmetriebrechung bei 10 2 GeV: Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung entstehen t = 3 min Leichte Atomkerne entstehen bei 0.1 MeV t = 10 5 y Atome, die Bausteine der Materie, entstehen erst nach ca Jahren

3 Institut für Hochenergiephysik Fragen der Kosmologie an die Teilchenphysik: Weshalb gibt es im Universum mehr Materie als Anti-Materie? Woraus besteht das Universum? Was ist die Dunkle Materie? Woher kommt die Dunkle Energie? Antwort auf diese großen Fragen kann vermutlich die Physik des ganz Kleinen geben – die Elementarteilchenphysik Teilchenphysik und Kosmologie

4 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

5 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 moderne Bild – das Standardmodell Das Standardmodell

6 Institut für Hochenergiephysik Die Farbladung Das Standardmodell Die starke Kraft PINKGRÜN GELBBLAU TÜRKISROT AntifarbeFarbe 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

7 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 Die Farbladung Baryonen q q q q q d u Mesonen q q

8 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 Bindungszustände Das Standardmodell

9 Institut für Hochenergiephysik Standardmodell funktioniert nur mit ursprünglich masselosen Teilchen! Masse entsteht erst durch die Wechselwirkung mit einem (hypothetischen) Higgs-Feld Durch spontane Symmetriebrechung ist das gesamte Universum von diesem Higgs-Feld durchdrungen Schwingungen in diesem Higgs-Feld erscheinen als Higgs-Teilchen, deren Nachweis am LHC / CERN in einigen Jahren gelingen soll Higgs Cartoon (inspired by Prof. Miller / University College London) Spontane Symmetriebrechung Energie Higgsfeld heißes Universum (kurz nach Urknall) kaltes Universum (kondensiert in einen asymmetrischen Zustand mit Higgsfeld) 0 v Das Higgs-Teilchen Die neue Physik Teilchen sind masselos Teilchen haben nun Masse

10 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

11 Institut für Hochenergiephysik Bosonen SUSY SUSY Teilchenspektrum. Grün: bekannte Teilchen des Standardmodells. Rot: gesuchte neue Teilchen. zu jedem derzeit bekannten Elementarteilchen ein supersymmetrisches Partnerteilchen Die neue Physik Fermionen

12 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

13 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


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