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Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

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Präsentation zum Thema: "Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik"—  Präsentation transkript:

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

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

3 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

4 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

5 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

6 Elementarteilchen: Fermionen
Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

7 Austauschteilchen: Bosonen
Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

8 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

9 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

10 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

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

12 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

13 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

14 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

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

16 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

17 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

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

19 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

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

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

22 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

23 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

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

25 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

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

27 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

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

29 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

30 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

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

32 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

33 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

34 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

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

36 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

37 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

38 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

39 Michael Hammer: Das Standardmodell der Teilchenphysik

40 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

41 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

42 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


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