Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen WS 2004/2005 Das Standardmodell der Teilchenphysik 29.10.2004 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Teilchenzoo? Ja!!! Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Was ist das Standardmodell? Beschreibt Teilchen und ihre Wechselwirkungen Fasst experimentelle Daten zusammen Macht Vorhersagen über noch unbekannte Teilchen Bleibt aber nur ein Modell Stimmt heute schon nicht mehr in allen Details -Felder werden beschrieben durch Austausch von „virtuellen Teilchen“ (Bsp: E-Felder durch Austausch von Photonen) Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Inhaltsübersicht: -Vorstoß ins Unbekannte -Welche Elementarteilchen gibt es? -Erhaltungssätze und Symmetrien -Wie funktionieren die Wechselwirkungen? -Bsp: Experiment am CERN -Grenzen des Standardmodells -Zusammenfassung Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Vorstoß ins Unbekannte Wie tief kennen wir die Substruktur der Materie? Elementarteilchen: Teilchen ohne Substruktur (kann aber trotzdem in andere zerfallen) ??? Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Elementarteilchen: Fermionen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Austauschteilchen: Bosonen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Klassifizierung von Teilchen: Halbzahliger Spin: Fermionen (ein Teilchen im Zustand A) Ganzzahliger Spin: Bosonen (viele Teilchen im Zustand A) Alle Elementarteilchen Alle Wechselwirkungs- teilchen Hardronen Quarks und Baryonen (q,q,q) Mesonen (q,anti-q) Alle Leptonen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Symmetrien und Erhaltungssätze Erhaltungsgröße Zeitumkehr Energie Parität (Raumsp.) Impuls C-Parität Ladung Isotropie Drehimpuls Noether-Theorem: Zu jeder Symmetrie eine Erhaltungsgröße Farbladung Baryonenzahl Leptonenzahl Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Symmetrien und Erhaltungssätze Bei einigen WW-Prozessen können Symmetrien bzgl. - Parität (Raumspiegelung) C-Parität (Teilchen und Antiteilchen versch. Verha.) Zeitumkehr Isospin Strangeness, Charmness, ... Quarkzahl Mesonenzahl verletzt sein. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Wechselwirkungsprozesse Bei allen Wechselwirkungen gilt insbesondere: Energieerhaltung Impulserhaltung Leptonzahlerhaltung Baryonzahlerhaltung Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Wechselwirkungen koppeln an Ladungen: Elektrische WW: elektrische Ladung Schwache WW: schwache Ladung Starke WW: Farbladung Gravitative WW: schwere Masse Verschiedene Kopplungskonstanten, Reichweiten, Wirkungsquerschnitte Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Feynman-Diagramme Versuchen, die WW graphisch darzustellen Nur Symbolisch zu verstehen Zeigt keine Teilchenflugbahnen Zeitachse zeigt nach rechts Pfeil in Zeitrichtung: Teilchen Pfeil in Gegenrichtung: Antiteilchen Pfeil senkrecht: Virtuelles Teilchen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Elektromagnetische Wechselwirkung Quantenelektrodynamik E-Felder wirken durch Teilchenaustausch Austauschteilchen Photon oder Gamma Masselos, unendliche Reichweite Koppelt an elektrische Ladung Photoeffekt, Rutherfordstreuung, Comptoneffekt, Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Elektromagnetische Wechselwirkung Paarerzeugung „Schleifen“ Elektronenstreuung Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Schwache Wechselwirkung A: von Leptonen Austauschteilen -Bosonen Große Masse (80/90 GeV), Kurze Reichweite Koppelt an schwache Ladung Austauschteilchen selbst schwach und elektrisch geladen: Interaktion der Bosonen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Schwache Wechselwirkung A: von Leptonen Das Boson borgt sich die Energie, die es zu seiner Erzeugung braucht, muss sie aber zurückzahlen, bevor ihr Fehlen erkennbar wird. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Schwache Wechselwirkung A: von Leptonen Zerfall eines Myons über schwache WW. Elektron-Neutrino- Steuung über schwache WW Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen -Auch Quarks tragen schwache Ladung, koppeln daher an schwacher WW. -Quarks können sich dabei in leichtere Quarks umwandeln Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen Quark-Antiquark-Reaktion über schwache WW Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen Beta-Zerfall über schwache WW Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Elektro-Schwache Vereinigung -W-Bosonen tragen elektrische Ladung -daher koppeln Photonen an W-Bosonen -elektrische und schwache WW können nicht mehr strikt getrennt werden -man spricht daher von elektroschwacher WW Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Starke Wechselwirkung Quantenchromodynamik -koppelt an Farbladung (rot, gelb, blau, Antifarben) -Quarks tragen jeweils eine Farbe -Bei der Wechselwirkung ändert sich die Farbe -Gluonen tragen zwei Farben -Alle Prozesse nach außen Farbneutral Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Starke Wechselwirkung -Gluonen koppeln an sich selbst, da sie farbgeladen sind. -Glueballs nach außen Farbneutral Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Starke Wechselwirkung -bindet 2 (Mesonen) Quarks -oder 3(Baryonen) Quarks q,q,q aneinander q q q Neutron (d,d,u) Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Starke Wechselwirkung Möglichkeiten, Quarks zu kombinieren (hier: u,d,s) Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Starke Wechselwirkung -Mesonen nicht sehr stabil, -zerfallen über schwache WW -Baryonen zerfallen in leichtere Baryonen, bis hin zum Proton (z.B.Neutron in Proton) Pionzerfall Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Starke Wechselwirkung Starke Wechselwirkung wird mit Entfernung stärker potentielle Energie nimmt mit Entfernung zu Neue Mesonen können entstehen. Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Gravitative Wechselwirkung -Das Austauschteilchen, das Graviton wurde noch nie beobachtet -Masselos, unendliche Reichweite -Spielt in Quantenmechanischen Prozessen eine untergeordnete Rolle -Wird daher nicht explizit im Standardmodell erfasst -Verweis auf Einstein: Allgem. Relativitätstheorie Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Experimente zur Teilchenphysik -Höhenstrahlexperimente: Ballon, Boden -Collider-Experimente:Linear, Ring -Experimente mit Kernstrahlung Allg.: „Beobachtung“ der Teilchen durch geeignete Detektoren Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Bsp: Large Hardron collider (LHC) am CERN Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

LHC Speichering am CERN -Protonen werden über EM-Wellen beschleunigt -Über Magnetfelder auf Kreisbahn gezwungen -Aufeinandergeschossen mit hohen Energien -neue Teilchen können entstehen -können mit Detektoren vermessen werden Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

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Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Bsp: CMS-Detektor Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

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Grenzen des Standardmodells Wieso haben die Teilchen Masse? Kopplungskonstanten bei hohen Energien? Leptonzahlerhaltung bei Neutrinooszillationen? Supersymmetrische Teilchen? Dunkle Materie? Warum drei Familien? Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik Zusammenfassung Jeweil 6 Leptonen und Quarks mit versch. Ladungen( elektrische, Farbladung) -4 Wechselwirkungen (elmg., schwach, stark, grav.) -Alltagsmaterie aus Baryonen (uud, udd) und Elektronen -Wechselwirkungen gehen im makroskopischen Grenzfall in klassische Modelle über -Weitere Forschung nötig, um Unklarheiten zu klären Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

Literaturempfehlungen Teilchen, Felder und Symmetrien: Quantenfeldtheorie und die Einheit der Naturgesetze, Heidelberg 1985 Bib:2.30 Lehrbücher zu Quantenfeldtheorie, Quantenelektrodynamik, Quantenchromodynamik. Lehrbücher zu Kerne und Teilchen Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik