Konzept der Wechselwirkungen Kraftwirkung zwischen Teilchen Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und Produktion 4 fundamentale Wechselwirkungen Gravitation (Schwerkraft) Elektromagnetismus Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung S N q p n

Gravitation (Schwerkraft)

Die Coulombkraft

Schwache Wechselwirkung – Der pp-Zyklus der Sonne

Der ß-Zerfall im Bild des Standardmodells

Starke Wechselwikung – Quarks: Bausteine der Atomkerne

Das Quark-Gluon-Plasma

Quarks, Bausteine der Hadronen Name Ladung Masse in GeV/c2 up 2/3 0.005 down -1/3 0.01 charm 1.5 strange 0.15 top 175 bottom 4.5 Proton 0.938 GeV/c2 Meson 2 Quarks 1 eV=1.9 10-19 Joule 1 eV/c2= 1.78 10-36 kg 1 GeV/c2=109 eV/c2

Die Leptonen Name Ladung Masse in GeV/c2 Elektron -1 0.0005 Elektron Neutrino ? Myon 0.1 Myon Neutrino Tau 1.8 Tau Neutrino 1 eV=1.6 10-19 Joule 1 eV/c2= 1.78 10-36 kg 1 GeV/c2=109 eV/c2

Prinzip von Kraftwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend Anziehend

Die 4 fundamentalen Wechselwirkungen Name der Kraft Reichweite Stärke Austauschteilchen stark 10-15 m ~1 8 Gluonen elektro-magnetisch unendlich ~10-3 Photon schwach 10-17 m ~10-5 W+ W- Z Gravitation ~10-38 Graviton

Was ist eigentlich eine Ladung? Eine Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens Ladungen sind Additiv: Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren Mehr wissen wir (noch) nicht

Die elektromagnetische Kraft Ladung: elektrische Ladung Q Arten: 1 Ladungsart: „Zahl“, positiv oder negativ Botenteilchen: Photon Eigenschaften: elektrisch neutral: Q=0 masselos : m=0 Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung +2/3 -1/3 O -1 Besonderheiten: Unendliche Reichweite Makroskopisch beobachtbar (Versuch) Magnetfelder lenken elektrisch geladene Teilchen ab, umso weniger je höher deren Energie ist (Versuch)

Die starke Kraft Ladung: starke Ladung Arten: 3 Ladungsarten: „Farbe“, plus jeweilige Antifarbe Botenteilchen: 8 Gluonen Eigenschaften: tragen selber je 1 Farbe und Antifarbe masselos : m=0 Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung r, b, g r, b, g - - Besonderheiten: Endliche Reichweite ca 1 fm Hält p, n und Atomkern zusammen Makroskopisch nicht beobachtbar, außer radioaktiver Zerfall  Heliumkerne (Versuch)

Die schwache Kraft Ladung: schwache Ladung (I1, I2, I3) Arten: 1 Ladungsart: „Zahlentriplett“ Botenteilchen: W-, Z0, W+ Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I3 = -1, 0, 1 Masse : m = 80 – 90 GeV Teilchen Up Down Neutrino Elektron I3 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 Besonderheiten: Endliche Reichweite ca 0.0025 fm Makroskopisch nicht beobachtbar, außer Brennen der Sonne Radioaktiver Zerfall des Neutrons Analog: Zerfall des Myons µ  enn

Das Neutrino „Geisterteilchen“ Postuliert 1931, elektr. neutraler Partner des Elektrons Extrem kleine Masse (< 1 / 1.000.000.000 Elektronmasse) Sehr schwache Wechselwirkung (kann ohne Wechselwirkung die Erde durchfliegen) Nachweis 1956: von 1012 Reaktorneutrinos pro Sekunde und mm2 nachgewiesen in 10 Kubikmeter Wasser : 3 pro Stunde 400 Neutrinos / Kubikzentimeter überall im Universum

Antimaterie Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Ladungsvorzeichen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen können paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt können Sich diese wieder zu Botenteilchen (Energie) vernichten

Antimaterie: Ein "Spiegelbild" der Materie

Teilchen-Antiteilchen Vernichtung bei CERN

Zusammenfassung „Kräfte“ Die unterschiedlichen Ladungen bewirken unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen Sie erklären auch das unterschiedliche Verhalten in den Detektoren Sowie die Bildung von Teilchenjets aus Quarks

Das vollständige Set der Bausteinteilchen Das 4er Set der „1.Baustein-Generation“ wiederholt sich genau 2 Mal Niemand weiss warum

Zusammenhang Teilchenphysik - Kosmologie Teilchenkollision bei hohen Energien heißes Universum alle Teilchen haben hohe Energie (Temperatur) und kollidieren unkontrolliert gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und deren Aufzeichnung

Rückblick zum Urknall im Bereich von Theorien durch Experimente gesichert

Schlussübersicht