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Das Standard-Modell der Teilchen Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen Das Standard-Modell der Teilchen Dania Burak.

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Präsentation zum Thema: "Das Standard-Modell der Teilchen Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen Das Standard-Modell der Teilchen Dania Burak."—  Präsentation transkript:

1 Das Standard-Modell der Teilchen Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen Das Standard-Modell der Teilchen Dania Burak

2 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 2 Inhalt: Was ist das Standard-Modell? Elementarteilchen Wechselwirkungen -elektromag. WW -starke WW -schwache WW -Symmetrien -Erhaltungssätze elektroschwache Vereinheitlichung Feynman-Diagramme

3 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 3 Was ist das Standard-Modell? beschreibt Teilchen und ihre Wechselwirkungen beschreibt Wechselwirkungen durch Austausch von Teilchen fasst experimentelle Daten zusammen macht Vorhersagen über noch unbekannte Teilchen ist nur ein Modell, bei dem noch viele Fragen ungeklärt bleiben. Um die Welt des Allerkleinsten zu erklären, geht man heute vom sogenannten Standard-Modell der Teilchenphysik aus. Dieses:

4 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 4 Elementarteilchen Fermionen Familien elektr. Ladung FarbeSpin Leptonen e µ τ 0 -1/2 Quarks u c t d s b +2/3 -1/3 r,b,g1/2 e µ Im Standard-Modell werden 12 Materiebausteine in 3 Teilchen-Familien (Teilchen-Generationen) angenommen. Neben diesen Teilchen sind die Austauschbosonen weitere fundamentale Teilchen

5 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 5 Quarkmassen Masse der Konstituentenquarks, also die effektive Masse von Quarks, die in Hadronen gebunden sind. M 0,001 0,01 0, u d c b t Quarkmassen Stabil m (GeV) M W M Z M MµMµ MeMe s Die erste Familie beinhaltet die Bausteine der Materie, mit der wir es täglich zu tun haben.

6 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 6 Teilchen Klassifizierung: Die bekanntesten Hadronen sind die Nukleonen (Kernteilchen), sie sind die einzigen stabilen Hadronen. Alle anderen Hadronen zerfallen relativ schnell zu leichteren Hadronen, Leptonen oder Gammastrahlung. Teilchen aus qqq (qqq Antibaryonen) haben ½-zahligen Spin (also Fermionen) Hadronen Mesonen Baryonen Teilchen aus qq- Paaren haben ganzzahligen Spin (also Bosonen)

7 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 7 Warum ist Farbe nötig? Farbe ist nötig, um Pauliprinzip zu gewährleisten. Beispiel: Betrachte die ++ - Resonanz aus drei u-Quarks: die Gesamtwellenfunktion scheint symmetrisch zu sein, was gegen das Pauli-Prinzip verstößt. => die Eigenschaft Farbe rettet das Pauli-Prinzip.

8 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 8 freie Quarks? Experimentell beobachtet man nur farbneutrale Teilchen. Also Teilchen ohne Nettofarbe. Quarks können nicht als freie Teilchen beobachtet werden.

9 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 9 Wechselwirkungen In der Physik werden alle Wechselwirkungen auf 4 Kräfte zurückgeführt: 1.Schwerkraft - verantwortlich für alle Gravitationsphänomene 2.elektromagnetische Kraft - verantwortlich für Elektrizität und Magnetismus 3.starke Kraft - hält Atomkerne zusammen 4.schwache Kraft - ist keine anziehende oder abstoßende Kraft, sondern wandelt Teilchen ineinander um

10 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 10 Wechselwirkungen Wechsel- wirkung koppelt an Austausch- teilchen Masse (GeV/c²) starkFarbladung0 elektro- magnetisch elektrische Ladung 0 schwach schwache Ladung 80, 90 GravitationMasse0

11 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 11 Wechselwirkungen Reichweiten: Da die Photonen masselos sind hat die elektromagnetische Wechselwirkung eine unendliche Reichweite. Gluonen haben zwar M=0, aber da die Gluonen selbst Farbladung tragen WW sie untereinander. Dadurch wird die Reichweite beschränkt. Schwache WW nur eine Reichweite von fm, wegen der großen Massen von W + und Z 0

12 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 12 Die elektomag. Kraft ist proportional zur Feldliniendichte 1/r² Photonen ungeladen => keine Selbstkopplung Die starke Kraft ist proportional zur Dichte der Farbfeldlinien 1/r²+r durch Gluonen- Selbstkopplung (Gluonen bilden Strings)

13 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 13 starke Wechselwirkung starke Kopplungskonstante s : asymptotische Freiheit der Quarks bei großen Abständen stark gebunden

14 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 14 r klein r mittel r groß

15 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 15 Isospin Protonen und Neutronen haben fast die gleichen Massen und verhalten sich in ihrer Wechselwirkung ähnlich. Man beschreibt die Symmetrie zwischen Protonen und Neutronen durch den Isospin, einen Formalismus analog zum Spin. Protonen und Neutronen bezeichnet man als zwei Zustände des Nukleons, die ein Dublett (I=1/2) bilden.

16 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 16 Spiegelkerne Veranschaulichung des Isospins: Die beiden Spiegelkerne unterscheiden sich durch die Richtung des Isospinvektors im Isospinraum. Sie bilden ein Isospin-Dublett I 3 =-1/2 I 3 =+1/2 I3I3 p n p n I=1/2 ß+ß+ E 2/3- 1/2- 5/2- 3/2-

17 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 17 schwache Wechselwirkung Austausch von W + : Quarks und Leptonen ändern Identität Die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix: 1, Übergänge innerhalb einer Familie

18 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 18 schwache Wechselwirkung 1.Leptonische Prozesse =>W-Boson koppelt nur an Leptonen 3.Nichtleptonische Prozesse =>es sind keine Leptonen beteiligt 2.Semileptonische Prozesse =>W-Boson koppelt an Leptonen und Quarks

19 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 19 Helizität Helizität: Teilchen mit Spin in Bewegungsrichtung haben die Helizität +1 (rechtshändig), solche mit Spin entgegen die Bewegungsrichtung die Helizität –1 (linkshändig).

20 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 20 Wu- Experiment (1957) Spin- polarisiertes 60 C zerfällt im ß-Zerfall in: 60 C 60 Ni * + e - + e Die schwache WW ist maximal paritätsverletzend koppelt nur an linkshändige Fermionen und rechtshändige Antifermionen 5= 4+ ½ + ½ + rechtshändig linkshändig e e-e- JzJz z- Achse

21 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 21 Symmetrie: Alle Prozesse der schwachen WW verletzen die C-Symmetrie (Ladungskonjugation) Die kombinierte Anwendung von CP (Ladungskonjugation und Raumspieglung) ist in erster Näherung erhalten. H H H 60 Ni e-e- H e-e- e-e- e-e- e-e- e-e- e+e+ e+e+ e+e+ e+e+ e+e+ e+e+ CP P P C C

22 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 22 Erhaltungssätze der WW: Bei allen WW sind erhalten: Energie, Impuls, Drehimpuls, Ladung, Farbe, Baryonenzahl und die drei Leptonenzahlen Der Betrag des Isospins ist nur bei der starken WW erhalten Nur W + wandelt Quarks und Leptonen um Die Quantenzahlen, die den Quark-Flavour angeben (3. Komponente des Isospins, strangeness, charme, etc.) sind bei der schwachen WW nicht erhalten. P- und C-Parität sind nur bei der starken und der elektromag. WW erhalten

23 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 23 elektroschwache Vereinheitlichung: Diese Theorie geht von vier masselosen Austauschteilchen aus W +, W - und Z 0 erhalten durch spontane Symmetriebrechung Masse. Spontane Symmetriebrechung tritt auf, wenn der Grundzustand nicht mehr die volle Symmetrie des Systems bei höheren Energien hat. runder Tisch mit 6 Gedecken und 6 Servietten zwischen den Tellern

24 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 24 Die Goldene Regel Übergangsmatrixelement für eine WW, die vom Anfangszustand i zum Endzustand f überführt: M fi wird als Wahrscheinlichkeitsamplitude für Übergänge bezeichnet

25 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 25 Die Goldene Regel: Die Verknüpfung der Reaktionsrate, dem Übergangsmatrixelement und der Dichte der Endzustände ist durch Fermis Goldene Regel festgelegt:

26 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 26 Feynman-Diagramme Graphische Orts-Zeit-Darstellung von Reaktionen zur Berechnung von M fi Zeit Raum (Achsenbezeichnung oft auch umgekehrt)

27 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 27 Feynman-Diagramme Fermionen: Teilchen (z.B.: e - ) Antiteilchen (z.B.: e + ) [bewegen sich rückwärts in der Zeit] Eichbosonen: Photon ( ) Vektor-Bosonen (Z 0, W + ) Gluonen Vertex: beschreibt Struktur und Stärke der WW

28 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 28 Feynman-Diagramme Jeder Vertex enthält eine Kopplungskonstante e.m. WW mit e.m. =1/137 starke WW schwache WW Die Übergangsamplitude enthält für jeden Vertex einen Faktor, der proportional zu ist Jeder Vertex macht die Reaktion unwahrscheinlicher e.m. s W µ+µ+ e+e+ e-e- µ-µ-

29 Das Standard-Modell der Teilchen 15. Oktober 2006 Dania Burak 29 Feynmann-Diagramme:

30 Das Standard-Modell der Teilchen Literaturverzeichnis: [1]Prof. Dr. Michael Feindt: Kursvorlesung: Physik VI (Kerne und Teilchen), SS [2]Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Teilchen und Kerne. Eine Einführung in die physikalischen Konzepte, 5. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 1999 [3]Bergström, Goobar: Cosmology And Particle Astrophysics, 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2004 [4]W. de Boer: Der Urknall und seine Teilchen Talk during CERN excursion, CERN, Sep [5]Demtröder: Experimentalphysik 4 Kern-, Teichen- und Astrophysik, Springer-Verlag, Berlin 1998


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