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Sebastian Frank Für Neugierige von 15 bis 18 Jahren Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen d u u g g g.

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Präsentation zum Thema: "Sebastian Frank Für Neugierige von 15 bis 18 Jahren Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen d u u g g g."—  Präsentation transkript:

1 Sebastian Frank Für Neugierige von 15 bis 18 Jahren Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen d u u g g g

2 2 Sebastian Frank Was ist ein Elementarteilchen? Elementar: Bis heute keine Zusammensetzung aus noch kleineren Teilchen gefunden (Atom nicht elementar!) Quantentheorie: Materie- und Kräfteteilchen haben sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter Welle-Teilchen Dualismus Beispiele: e-e- Elektron Photon Lichtteilchen Elementarteilchen: Übersicht

3 3Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank 1897 Das Elektron Thomson (1897) Elementarteilchen: Übersicht Masse: 0,511 MeV = 9, kg Ladung: -1, C = -1e Fernseher = Beschleuniger Elektronen bilden Atomhülle im Alltag: Leuchtschirme e-e-

4 4Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank Das Photon Planck Einstein Compton Elementarteilchen: Übersicht Masse: 0 (masselos) Ladung: 0 (neutral) Photoelektrischer Effekt Wichtiger Schritt Richtung Quantenmechanik e-e-

5 5Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank 1897 e-e Rutherford Das Proton p Elementarteilchen: Übersicht Masse: 938,3 MeV = ca m e Ladung: +1e Vorkommen: Atomkern ist nicht elementar!

6 6Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank P+P+ e-e- Das Wasserstoffatom Gebundener Zustand dank Elektromagnetismus Photonaustausch Elementarteilchen: Das Atom

7 7Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank m P+P+ e-e- e-e- e-e- e-e- < m m Elementarteilchen: Das Atom

8 8Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank d u u besteht aus zwei up-Quarks und einem down-Quark! Der Wasserstoffkern – das Proton Elektrische Ladung 2/3 2/3 - 1/3 Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt! Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen? Elementarteilchen: Der Atomkern P+P+

9 9Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank Die starke Kraft (Kernkraft) d u u ggg g ggg 3 Farbladungen 8 Gluonen (Kraftteilchen) Messbare Objekte sind farbneutral! Es existieren somit keine freien Quarks (Physik-Nobelpreis 2004) (Farbe dient hier nur als anschauliches Analogon) Elementarteilchen: Kräfte

10 10Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank Antiteilchen: Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen, aber umgekehrte Ladung e-e- e+e+ up anti-up ElektronPositron u u Elementarteilchen: Zwillingspartner

11 11Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank u d ggg Pion + 1/3 2/3 Drei Bindungsmöglichkeiten: (q q q) = (Proton, Neutron, …) (q q q) = (Antiproton, Antineutron, …) und (q q) = (Pionen, …) - Mesonen Baryonen Hadronen Elementarteilchen: Zusammengesetze Teilchen

12 12Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank P+P+ besteht aus einem up Quark und zwei down Quarks d d u Das Neutron 2/3 - 1/3 2/3 = -1/3 + 1 Es gibt Umwandlung von up- nach down-Quark … d u + ? Elementarteilchen: Zusammengesetze Teilchen

13 13Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank d u u Proton Die schwache Kraft Im Zentrum der Sonne wird Wasserstoff (= Proton) zu Helium (zwei Protonen und zwei Neutronen) fusioniert. Dadurch leuchtet sie. Doch wie funktioniert das im Detail? Startprozess ist die Fusion von 2 Protonen zu Deuterium (Proton + Neutron). Dabei wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und sendet ein W + -Boson (Vermittler der schwachen Kraft) aus, das in ein e + und e-Neutrino zerfällt. e+e+ e W+W+ d d u Neutron Elementarteilchen: Kernfusion & schwache Kraft 25

14 14Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank Wegen schwacher Kraft passiert diese Reaktion sehr selten (nur alle 10 Milliarden Jahre!). Durch große Anzahl von Protonen im Sterninneren geschieht dies jedoch häufig genug. 1 H H + 2 H + + e + + e + 0,42 MeV 3 He He 2+ 4 He H H ,86 MeV e e e 2 H H + 3 He ,49 MeV Nach nur ca. 1,4 Sekunden: Kernfusion in der Sonne Proton-Proton-Reaktion Elementarteilchen: Kernfusion & schwache Kraft Dank der schwachen Kraft ist unsere Sonne so langlebig!

15 15Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank Es gibt 3 Vermittlerteilchen der schwachen Kraft: W+W+ W-W- Z0Z0 Sie sind sehr schwer (80 u. 91 GeV) und wurden daher erst sehr spät entdeckt (1983 im CERN am SPS Ring) (Nobelpreis 1984 an S. van der Meer und C. Rubbia) Elementarteilchen: Schwache Kraft Was gibt es noch für Teilchen? …

16 16Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank 1897 e-e Das Müon µ-µ- p n 1937 Hess (1936) Anderson Neddermeyer Street, Stevenson Elementarteilchen: Übersicht Masse: 150,7 MeV Ladung: -1e Vorkommen: Höhenstrahlung Instabil! ( s) Nachweis: Funkenkammer!

17 17Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank 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 µ 1947 e+e Dann wurden in rascher Folge viele Teilchen entdeckt: Charakteristika: Hohe Masse, kurze Lebensdauer Willis Lamb drückte in seiner Nobelpreis-Ansprache 1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus: Lamb Elementarteilchen: Teilchenzoo

18 18Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank 1897 e-e K p 1932 n µ 1947 e+e Auflösung des Rätsels kam 1969: Quantenchromodynamik (starke Kraft) Elementarteilchen: Lösung des Teilchenzoos Alle neu gefunden, schweren Teilchen (Hadronen) bestehen aus Elementarteilchen, Quarks, welche eine Farbladung tragen d u u Proton d d u Neutron Dadurch kommt Ordnung in das Chaos, das Standardmodell der Elementarteilchenphysik entsteht …

19 19Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank - e 2. Gen. - c s Das Standardmodell der Elementarteilchen El. Ladung 2/3 -1/3 0 Materie e-e- e u d 1.Gen. 3. Gen. - t b 2. Gen. + c s 3. Gen. + t b e+e+ 1.Gen. -2/3 1/ Antimaterie u e d Das Standardmodell

20 20Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank Kräfte g g g g g g W+W+ W-W- Z0Z0 ggg g g Elektromagnetische Kraft Photon Schwache Kraft W- u. Z-Bosonen Starke Kraft Gluonen Gravitation – Graviton? extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften, in Beschleunigerexperimenten vernachlässigbar Das Standardmodell

21 21Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank Das Standardmodell Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es verleiht den anderen Teilchen überhaupt erst Masse! Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik. Der Theoretiker Peter Higgs vor dem ATLAS- Detektor, der sein Higgs-Teilchen finden wird

22 22Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank Erweiterungen des Standardmodells Das Higgs kann aber noch nicht alles sein … wird werden noch Unbekanntes entdecken müssen, da wir einiges noch nicht verstehen: Woraus besteht die Dunkle Materie und Dunkle Energie? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte? Gibt es eine allumfassende Symmetrie wie Supersymmetrie? Gibt es verborgene Extra Dimensionen? 10

23 23Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank Wie kann man Elementarteilchen erforschen? … mit dem Mikroskop? sichtbares Licht ( nm) Wellenlänge = Auflösung Wir brauchen viel stärke Auflösung! Jedoch: Kurze Wellenlänge = hohe Energie Vom Mikroskop zum Beschleuniger

24 24Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank Wegen berühmter Formel E = mc 2 (d.h. Energie entspricht Materie) können bei sehr hoher Energie neue Teilchen entstehen! Keine passive Betrachtung von Materie mehr, sondern aktive Erzeugung von Materieteilchen! Durch Beschleunigung von Teilchen auf hohe Energien und anschließender Kollision können wir neue, noch unbekannte Teilchen erzeugen und studieren! Vom Mikroskop zum Beschleuniger Mini-Urknall

25 Beschleuniger Der L arge H adron C ollider

26 26Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank


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