Der Urknall und seine Teilchen Das Standardmodell Der Urknall und seine Teilchen

Inhalt Einführung Quantenelektrodynamik Die Teilchen des Standardmodells Die anderen fundamentalen Wechselwirkungen

1. Einführung Ziele der Teilchenphysik: Suche nach den elementarsten Bestandteilen der Materie Beschreibung der Wechselwirkung dieser Teilchen Größe der Teilchen

2 Quantenelektrodynamik (QED) Klassisches elektromagnetisches Feld wird quantisiert Relevant bei großen Geschwindigkeiten und kleinen Dimensionen Älteste, einfachste und am besten ausgereifte Quantenfeldtheorie (sehr exakte Vorhersagen) Lokalität (Wirkungsausbreitung, Relativität), Teilchenerzeugung (Wahrscheinlichkeitsinterpretation)

2 Quantenelektrodynamik (QED) Feynman-Diagramm: primitiver Vertex der QED alle elektrodynamischen Phänomene lassen sich auf diesen Vertex reduzieren Photonen (Spin 1, masselos) sind Mediator Prozess findet so nicht statt! (Energie- und Impulserhaltung) Veranschaulichen den Prozess und erlauben es WQ oder ähnliche Größen für den entsprechenden Prozess direkt zu berechnen Sind eine Interpretation der Störungsrechnung

2 Quantenelektrodynamik (QED) Aneinanderfügen primitiver Vertices ergibt tatsächliche Prozesse Man darf die Diagramme (und auch einzelne Vertices) beliebig rotieren und spiegeln Anziehung von Elektron und Positron Abstoßung zweier Elektronen

2 Quantenelektrodynamik (QED) Compton-Streuung Paarannihilation

2 Quantenelektrodynamik (QED) Virtuelle Teilchen: Linien beginnen und enden im Diagramm Können nicht beobachtet werden Energie-Impulsbeziehung ist aufgehoben! E²≠p²+m² Propagator: 1/(q²-m²)=1/q²

2 Quantenelektrodynamik (QED) mehrere Feynman-Diagramme beschreiben das gleiche Phänomen Tatsächlicher Prozess besteht aus allen entsprechenden Diagrammen Jeder Vertex bringt einen zusätzlichen Faktor von der Wurzel aus α=1/137 Abstoßung zweier Elektronen aus vier Vertices

3 Die Teilchen des Standardmodells Bis in die 60er-Jarhe wurde Unmengen von neuen Teilchen entdeckt Teilchen (Hadronen) lassen sich anhand ihrer Eigenschaften in Multiplets aufteilen Es gibt Mesonen (Bosonen) und Baryonen (Fermionen)

3 Die Teilchen des Standardmodells Isospin: Feststellung, dass sich Proton und Neutron gleich verhalten unter Einfluss der starken Wechselwirkung Man kann Proton und Neutron einen Isospin zuweisen Strake WW erhält des Isospin Auch Pionen haben nahezu gleiche Masse und man kann ihnen Isospin zuweisen:

3 Die Teilchen des Standardmodells Durch Einführung der Strangeness lassen sich Mesonen in das Mutiplett integrieren Zusammenfassen von Teilchen in Multiplets führt zur Quark-Idee

3 Die Teilchen des Standardmodells Alle bis dahin entdeckten Multiplets lassen sich als zusammengesetzte Zustände aus up, down und strange Quarks verstehen Mesonen bestehen aus Quark-Antiquark , Baryonen aus 3 Quarks Die drei Quarks bilden näherungsweise eine SU(3)-Symmetrie unter der die starken WW Isopin entspricht eigentlich der SU(2)-Symmetrie für up und down Quark

3 Die Teilchen des Standardmodells

3.1Quarks Flavour EM-Ladung in e Spin Masse in Mev/c² Generation d (down) - 1/3 1/2 1 u (up) +2/3 s (strange) 2 c (charm) + 2/3 b (bottom) 3 t (top)

3.2 Leptonen Leptonen EM-Ladung in e Spin in Mev/c² Generation e (Elektron) -1 1/2 0,511  1 e-Neutrino >0,0000002 μ (Muon) 105,66   2 μ-Neutrino >0,19  τ (Tauon) 1777  3 τ-Neutrino >18,2 

4 Die anderen fundamentalen Wechselwirkungen

4.1 Gravitation Beschreibt die Wechselwirkung in großen Dimensionen Masse (Energie) ist die „Ladung“ Spielt in typischen Experimenten der Teilchenphysik keine Rolle, da sehr schwach Ist nicht im Standardmodell enthalten Planeten um Sonne, Bewegung der Galaxien

4.2 Quantenchromodynamik (QCD) Theorie der starken Wechselwirkung Verantwortlich für Bindung von Quarks zu Hadronen (Proton, Pion, …), Kernkräfte, … Gluonen sind der Mediator der starken WW (masselos, Spin 1)

4.2 Quantenchromodynamik (QCD) Eigenschaften des : Spin 3/2 → symmetrische Spinwellenfunktion Grundzustandsortswellenfunktion ist symmetrisch Isospin 3/2 → symmetrische Isospinwellenfunktion Symmetrisch in den Flavours Pauli-Prinzip verlangt für Fermionen antisymmetrische Gesamtwellenfunktion → jedes Quark hat eine Quantenzahl die in drei Formen auftritt. Man nennt sie Farbe. (z.B. rot, grün und blau) Isospin 3/2 Decuplet

4.2 Quantenchromodynamik (QCD) Der QCD liegt eine exakte SU(3)-Symmetrie zugrunde Farbe ist Ladung der starken WW Auch starke WW lässt sich im Feynman-Formalismus behandeln (bei hohen Energien) Kopplungskonstante ist nicht klein (ca. 1)! primitiver Vertex der starken WW

4.2 Quantenchromodynamik (QCD) Asymptotische Freiheit: bei großen Energien nimmt die Kopplungskonstante deutlich ab Physikalische Prozesse ergeben sich durch Verknüpfung der primitiven Vertices Anziehung zweier Quarks

4.2 Quantenchromodynamik (QCD) Zerfall eines in ein Proton und ein Pion: Lebensdauer von Teilchen, die über starke WW zerfallen können, ist sehr kurz

4.2 Quantenchromodynamik (QCD) Die starke WW erhält Gesamtfarbe Gluonen tragen Farbe und Antifarbe um Farbenänderung der Quarks auszugleichen Es gibt 8 verschiedene Gluonen (SU(3)-Gruppe hat 8 freie Parameter) Anzahl der Generatoren erklären und auch Idee des Singlett-Gluons

4.2 Quantenchromodynamik (QCD) Da Gluonen Farbe tragen unterliegen sie auch der starken WW Es gibt 3-Gluon Vertices und 4-Gluon Vertices QCD ist wesentlich komplizierter aber auch facettenreicher als QED! 4-Gluon-Vertex 3-Gluon-Vertex

4.2 Quantenchromodynamik (QCD) In der Natur kommen nur farblose Objekte vor Confinement: Aufgrund der Stärke der Anziehung kommt es zu Paarbildung anstatt zu einer Trennung von Quarks Farblos ist farbe und antifarbe sowie alle drei farben, also eigtl fabrsinglets

4.3 Schwache Wechselwirkung Verantwortlich für Betazerfall Ist im Standardmodell mit Elektromagnetismus zur elektroschwachen WW vereinigt Schwache WW wirkt auf alle Teilchen Man unterscheidet zwischen geladener und neutraler schwacher WW

4.3 Schwache Wechselwirkung Geladene schwache Wechselwirkung: W und W vermitteln die schwache geladene WW (tragen Masse, Spin 1 und Ladung +-e) Masse der Mediatoren hemmt schwache WW Einzige WW die Flavour ändern kann! Bei leptonischen Prozessen gibt es nur Übergänge innerhalb der Generation schwache geladene WW mit Quarks schwache geladene WW mit Leptonen

4.3 Schwache Wechselwirkung Zerfall eines Muons Neutron Neutrino Streuung β-Zerfall durch schwache WW

4.3 Schwache Wechselwirkung Neutrale schwache WW: Z-Bosonen dienen als Mediator (haben Ruhemasse, Spin 1) Jeder Prozess der durch Photon vermittelt werden kann, kann auch durch Z vermittelt werden (allerdings wesentlich schwächer) primitiver Vertex der neutralen schwachen WW

4.3 Schwache Wechselwirkung Neutrinos können nur über schwache WW wechselwirken Neutrinos nur schwer nachzuweisen Neutrino-Proton-Streuung

4.3 Schwache Wechselwirkung Parität: Messung von Austrittsrichtung von Elektronen beim Betazerfall in Cobalt 60 zeigt zum ersten mal, dass die schwache WW die Parität verletzt Versuch aufmalen und erklären Spiegelung y -y Paritätstransformation (x,y,z) (-x,-y,-z)

4.3 Schwache Wechselwirkung Helizität: Spinkomponente in Ausbreitungsrichtung (Lorentzinvarianz!) Teilchen mit positiver Helizität heißt rechtshändig, mit negativer Helizität linkshändig Alle Neutrinos sind rechtshändig, alle Anti-Neutrinos linkshändig Schwache Wechselwirkung verletzt Parität maximal! Vorsicht wegen Lorentztrasformation

4.4 Zerfälle Alle Teilchen zerfallen, es sei denn ein Erhaltungsgesetz verbietet dies Teilchen können nur in leichtere Teilchen Zerfallen Nahezu alle Materie im Universum besteht aus u- und d-Quarks, Elektronen und Neutrinos Lebensdauern geben Aufschluss über Art des Zerfalls (starke WW: 10^-23 s, Elektromag.: 10^-16 s, schwache WW: 10^-13 s-15 min) Erklärung warum Teilchen stabil sind

4.5 Zusammenfassung WW Kopplungs-Konstante Ladung Farbe Flavour Baryonen- Zahl Leptonen -Zahl Symmetrie- Gruppe QED ja U(1) QCD SU(3) Schwache WW nein SU(2) Mediator Spin EM-Ladung in e Masse in GeV/c² Photon (QED) 1 Z (schwache WW) 91,2 W (schwache WW) 80,4 Gluon (QCD) Graviton (Gravitation) 2 Baryonenzahl erklären, Flavour ist nicht erhalten

Ausblick Vereinheitlichung Offene Probleme: Gravitation Dunkle Materie Dunkle Energie Antimaterie/Materie Asymmetrie

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!