1. Physik der Elementarteilchen.

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1 1. Physik der Elementarteilchen

2 1a. Geschichte der Elementarteilchen
Welche Teilchen gibt es? Wie wurden sie entdeckt? Was sind die Bestandteile der Materie? Was sind kosmische Strahlen? Was sind seltsame Teilchen? Was ist der sogenannte “Elementarteilchenzoo”?

3 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

4 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

5 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

6 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

7 e- g µ Das Müon p n 1937 Hess Anderson, Neddermeyer Street, Stevenson
 Historische Einführung Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen Hess Anderson, Neddermeyer e- g Das Müon Street, Stevenson p n mit Elektron, Proton und Neutron waren alle Teilchen gefunden, die zum Verständnis des Aufbaus der Materie benötigt wurden Kosmische Strahlung: 1912 vom Österreicher Viktor Hess entdeckt (1936 Nobelpreis) überraschenderweise wurde trotzdem ein weiteres Teilchen in der kosmischen Strahlung entdeckt, das sich im wesentlichen wie ein schwereres Elektron verhält und als Myon bezeichnet wurde Das Myon passte überhaupt nicht ins Schema, „wozu brauchen wir das?“ die Existenz von Myonen auf der Erdoberfläche ist auch ein experimenteller Beweis der Relativitätstheorie (Zeitdilatation), da sie in den oberen Schichten der Atmosphäre erzeugt werden (durch kosmische hochenergetische Teilchen), und aufgrund ihrer Lebensdauer von nur ca. 2,2 Mikrosekunden selbst mit annähernd Lichtgeschwindigkeit nur einen guten halben Kilometer weit fliegen könnten, wenn ihre „Uhren“ aufgrund relativistischer Effekte nicht langsamer gingen Überleitung zur nächsten Slide: das Myon wurde ursprünglich fälschlich als das theoretisch vorhergesagte Pion identifiziert 1937 1897 1914 1932

8 e- g p Das Pion p n µ 1947 Yukawa Powell 1937 1914 1932 
Historische Einführung Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen e- g p Das Pion p n Powell Yukawa das Pion wurde interessanterweise zunächst theoretisch von Yukawa vorhergesagt, der es für seine Theorie einer starken Kraft brauchte, die den aus vielen positiv geladenen, und sich daher abstoßenden Protonen bestehenden Atomkern zusammenhalten sollte; die Masse des Pions konnte Yukawa recht genau aus seiner Theorie berechnen tatsächlich wurde ein Teilchen mit dieser Masse von Powell gefunden historische Randbemerkung: zunächst wurde das zuvor besprochene Myon fälschlich für das hypothetische Pion gehalten, es wurde aber bald neben dem Myon das „richtige“ Pion gefunden. wichtiges Grundkonzept der Elementarteilchenphysik zeichnet sich hier ab: Kräfte sind keine „magische Fernwirkung“, sondern werden über Teilchen vermittelt 1947 1937 1897 1914 1932

9 Das Positron (Antimaterie) p n µ p
 Historische Einführung Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen e- g e+ Das Positron (Antimaterie) p n Anderson p die aus vielen Science-Fiction Geschichten bekannte Antimaterie wurde ebenfalls zuerst theoretisch vorhergesagt: Dirac bekam beim Versuch, eine Wellengleichung des Elektrons zu finden ( Quantentheorie), auf eine 2. Lösung dieser Gleichung, die einem „Spiegelbild“ des Elektrons entsprach, mit positiver Ladung Zwischeninterpretation: Löchertheorie dieses „Antiteilchen“ wurde als Positron bezeichnet, und tatsächlich von Anderson experimentell bestätigt nach und nach wurden auch zu anderen Teilchen die entsprechenden Antiteilchen gefunden – nach heutigem Wissen gibt es prinzipiell zu jedem Teilchen ein Antiteilchen (allerdings können Teilchen ihre eigenen Antiteilchen sein, wie das Photon) „Minderheitenproblem“: wo ist die Antimaterie im Universum? siehe auch später (CP-Verletzungs-Experimente) heutzutage kann man Antimaterie erzeugen und Tage lang speichern Dirac 1932 1947 1897 1914 1937

10 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

11 e- g Seltsame Teilchen p n µ p e+ n 1947-... L Rochester, Butler, ...
 Historische Einführung Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen L Rochester, Butler, ... e- g K Seltsame Teilchen p S n p e+ Entdeckung „seltsamer“ Teilchen, die nicht in das bisher verstanden geglaubte Schema passten Prägung des Begriff „Teilchenzoos“ – eine überraschende Fülle von Elementarteilchen wurde experimentell gefunden, für die es keine „Notwendigkeit“ zu geben schien um die Alltagswelt zu verstehen (zu diesem Zeitpunkt waren sie nur in kosmischer Strahlung beobachtet worden, und für terrestrische Physik „überflüssig“) n 1947 1897 1914 1932 1937

12 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

13 1b. Das 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?

14 + - e- Das Elektronenvolt (eV) 1V E=1eV 1GeV = 1000000000 eV  
Das Standardmodell Der Teilchenzoo Lebensdauer (s) 100000 g e- m t Leptonen (Spin ½, keine Farbladung) W±, Zo Kräfteteilchen (Spin 1, Vektor-Bosonen) p n Sc S0 W- Baryonen (Spin ½ oder 3/2 ) + - e- 1V 1GeV = eV Das Elektronenvolt (eV) n Mesonen (Spin 0 oder 1) KL D Kc KS p0 h B f J/y 1s 2s 3s 4s w r D* 1s 1 ms E=1eV m (enthält) Teilchen 1. Generation (enthält) Teilchen 2. Generation (enthält) Teilchen 3. Generation 1 µs KL pc Kc Sc 1 ns W- KS B D t 10-15s 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 p0 h S0 1s 2s 3s J/y 10-20s D* w f 4s r 10-25s Masse (GeV/c2)

15 g Materieteilchen = Fermionen (Spin ½) Wechselwirkungen ? ne nm nt u c
Das Standardmodell Das moderne Bild – das „Standardmodell“ Materieteilchen = Fermionen (Spin ½) Wechselwirkungen stark schwach Schwerkraft ? Schwache Kraft W, Z Elektromagn. Kraft g Starke Kraft Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) 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

16 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)

17 Die schwache Kraft Kurze Reichweite, wirkt auf alle Materieteilchen
 Das Standardmodell Die schwache WW Die schwache Kraft Kurze Reichweite, wirkt auf alle Materieteilchen 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

18  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) . Die zugehörigen Kräfteteilchen werden Gluonen genannt. Sie sind 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

19  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. Es gibt derzeit (Stand Herbst 2005) eine Diskussion über die mögliche Existenz von 4- und 5-Quark Bindungszuständen (Tetra-, Pentaquarks)

20 ... ... 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

21 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)

22 ? 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 ?