1.3 Historischer Kurzüberblick

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1 1.3 Historischer Kurzüberblick (zur Motivation des Standard-Modells; unvollständig) Frühphase: 1897,,Entdeckung des Elektrons (J.J. Thomson) 1905 Photon als Teilchen (Einstein) 1911 Entdeckung des Atomkerns (Rutherford) 1919 Protons (Rutherford) 1932 Neutrons (Chadwick)

2 Erfolge:

3 Erfolge: Alle chemischen Elemente und Isotope sind aus den drei,,elementarteilchen p, n und e aufgebaut.

4 Erfolge: Alle chemischen Elemente und Isotope sind aus den drei,,elementarteilchen p, n und e aufgebaut. Aufbau der Atome prinzipiell verstanden (Quantenmechanik)

5 Erfolge: Alle chemischen Elemente und Isotope sind aus den drei,,elementarteilchen p, n und e aufgebaut. Aufbau der Atome prinzipiell verstanden (Quantenmechanik) Zugrundeliegende Wechselwirkung: Elektromagnetismus = Austausch von virtuellen Photonen (vollständiges Verständnis: Quantenelektrodynamik (QED) 1947)

6 Erfolge: Alle chemischen Elemente und Isotope sind aus den drei,,elementarteilchen p, n und e aufgebaut. Aufbau der Atome prinzipiell verstanden (Quantenmechanik) Zugrundeliegende Wechselwirkung: Elektromagnetismus = Austausch von virtuellen Photonen (vollständiges Verständnis: Quantenelektrodynamik (QED) 1947) offene Fragen und Probleme:

7 Erfolge: Alle chemischen Elemente und Isotope sind aus den drei,,elementarteilchen p, n und e aufgebaut. Aufbau der Atome prinzipiell verstanden (Quantenmechanik) Zugrundeliegende Wechselwirkung: Elektromagnetismus = Austausch von virtuellen Photonen (vollständiges Verständnis: Quantenelektrodynamik (QED) 1947) offene Fragen und Probleme: Was hält den Atomkern zusammen? starke WW zwischen den Nukleonen (kurzreichw., stärker als Coulombabstoßung der Protonen)

8 Erfolge: Alle chemischen Elemente und Isotope sind aus den drei,,elementarteilchen p, n und e aufgebaut. Aufbau der Atome prinzipiell verstanden (Quantenmechanik) Zugrundeliegende Wechselwirkung: Elektromagnetismus = Austausch von virtuellen Photonen (vollständiges Verständnis: Quantenelektrodynamik (QED) 1947) offene Fragen und Probleme: Was hält den Atomkern zusammen? starke WW zwischen den Nukleonen (kurzreichw., stärker als Coulombabstoßung der Protonen) Was bewirkt den β-zerfall? schwache WW

9 Erfolge: Alle chemischen Elemente und Isotope sind aus den drei,,elementarteilchen p, n und e aufgebaut. Aufbau der Atome prinzipiell verstanden (Quantenmechanik) Zugrundeliegende Wechselwirkung: Elektromagnetismus = Austausch von virtuellen Photonen (vollständiges Verständnis: Quantenelektrodynamik (QED) 1947) offene Fragen und Probleme: Was hält den Atomkern zusammen? starke WW zwischen den Nukleonen (kurzreichw., stärker als Coulombabstoßung der Protonen) Was bewirkt den β-zerfall? schwache WW Kinematik des β-zerfalls Pauli postuliert das Neutrino (1930): n p + e + ν e (experimenteller Nachweis des Neutrinos 1956)

10 weitere Entwicklung: 1933 Entdeckung des Positrons e + (Anderson und andere; 1928 von Dirac theoretisch vorhergesagt)

11 weitere Entwicklung: 1933 Entdeckung des Positrons e + (Anderson und andere; 1928 von Dirac theoretisch vorhergesagt) 1935 erste Theorie der starken WW (Yukawa): Austausch eines schweren Bosons (,,π -Meson,,,Pion ) Reichweite m π 100 MeV

12 weitere Entwicklung: 1933 Entdeckung des Positrons e + (Anderson und andere; 1928 von Dirac theoretisch vorhergesagt) 1935 erste Theorie der starken WW (Yukawa): Austausch eines schweren Bosons (,,π -Meson,,,Pion ) Reichweite m π 100 MeV 1937 Entdeckung des,,myons µ ± in der Höhenstrahlung m µ = 105 MeV wurde zunächst für Yukawas π gehalten

13 weitere Entwicklung: 1933 Entdeckung des Positrons e + (Anderson und andere; 1928 von Dirac theoretisch vorhergesagt) 1935 erste Theorie der starken WW (Yukawa): Austausch eines schweren Bosons (,,π -Meson,,,Pion ) Reichweite m π 100 MeV 1937 Entdeckung des,,myons µ ± in der Höhenstrahlung m µ = 105 MeV wurde zunächst für Yukawas π gehalten 1947 Nachweis, dass das µ nicht stark wechselwirkt nicht Yukawas π, sondern schweres Analogon zum Elektron 1. Beispiel eines,,überflüssigen Teilchens (,,2. Generation ) zugehöriges Neutrino ν µ (1962) 3. Generation: τ (1974, m τ = 1.8 GeV), ν τ (2000)

14 weitere Entwicklung: 1933 Entdeckung des Positrons e + (Anderson und andere; 1928 von Dirac theoretisch vorhergesagt) 1935 erste Theorie der starken WW (Yukawa): Austausch eines schweren Bosons (,,π -Meson,,,Pion ) Reichweite m π 100 MeV 1937 Entdeckung des,,myons µ ± in der Höhenstrahlung m µ = 105 MeV wurde zunächst für Yukawas π gehalten 1947 Nachweis, dass das µ nicht stark wechselwirkt nicht Yukawas π, sondern schweres Analogon zum Elektron 1. Beispiel eines,,überflüssigen Teilchens (,,2. Generation ) zugehöriges Neutrino ν µ (1962) 3. Generation: τ (1974, m τ = 1.8 GeV), ν τ (2000) 1947 Entdeckung des,,richtigen Pions, m π = 140 MeV

15 ab 1949 Entdeckung vieler weiterer stark ww Teilchen (,,Hadronen ),,Mesonen (= stark ww Bosonen): π, K, ρ, ω, η, φ,...,,baryonen (= stark ww Fermionen): p, n, Λ, Σ, Ξ,, Ω,...

16 ab 1949 Entdeckung vieler weiterer stark ww Teilchen (,,Hadronen ),,Mesonen (= stark ww Bosonen): π, K, ρ, ω, η, φ,...,,baryonen (= stark ww Fermionen): p, n, Λ, Σ, Ξ,, Ω, Quarkmodell (Gell-Mann, Neéman): Hadronen sind aus kleineren Bausteinen (,,Quarks ) aufgebaut: Baryonen = qqq, Mesonen = q q drei,,flavours : u (,,up ), d (,,down ), s (,,strange ), z.b. p = (uud), Λ = (uds), π + = (u d) weitere Flavours: c (,,charm, 1974), b (,,bottom, 1977), t (,,top, 1995)

17 (vorläufige) theoretische Abrundung:

18 (vorläufige) theoretische Abrundung: 1967 Theorie der schwachen Wechselwirkung und Vereinheitlichung mit der elektromagnetischen WW:,,elektroschwache WW (Glashow, Salam, Weinberg) schwache WW durch Austausch von schweren Bosonen (W ±, Z 0 ) exp. Nachweis 1983 (CERN): M W = 80 GeV, M Z = 91 GeV

19 (vorläufige) theoretische Abrundung: 1967 Theorie der schwachen Wechselwirkung und Vereinheitlichung mit der elektromagnetischen WW:,,elektroschwache WW (Glashow, Salam, Weinberg) schwache WW durch Austausch von schweren Bosonen (W ±, Z 0 ) exp. Nachweis 1983 (CERN): 1973 Theorie der starken Wechselwirkung:,,Quantenchromodynamik (QCD) (Weinberg, Fritzsch, Gell-Mann, Leutwyler) Austausch masseloser,,gluonen M W = 80 GeV, M Z = 91 GeV

20 1.4 Das Standard-Modell

21 1.4 Das Standard-Modell Die Materie besteht aus elementaren Fermionen, die durch den Austausch von Bosonen (,,Eichbosonen ) miteinander wechselwirken.

22 1.4.1 Die elementaren Fermionen Leptonen Quarks 1. Generation e ν e u d 2. Generation µ ν µ c s 3. Generation τ ν τ t b Spin 1 2 el. Ladung [e] starke WW nein nein ja ja elm. WW ja nein ja ja schwache WW ja ja ja ja Gravitation ja ja ja ja

23 1.4.1 Die elementaren Fermionen Leptonen Quarks 1. Generation e ν e u d Spin 1 2 el. Ladung [e] starke WW nein nein ja ja elm. WW ja nein ja ja schwache WW ja ja ja ja Gravitation ja ja ja ja

24 1.4.1 Die elementaren Fermionen Leptonen Quarks 1. Generation e ν e u d 2. Generation µ ν µ c s 3. Generation τ ν τ t b Spin 1 2 el. Ladung [e] starke WW nein nein ja ja elm. WW ja nein ja ja schwache WW ja ja ja ja Gravitation ja ja ja ja

25 1.4.1 Die elementaren Fermionen Leptonen Quarks 1. Generation e ν e u d 2. Generation µ ν µ c s 3. Generation τ ν τ t b Spin 1 2 el. Ladung [e] starke WW nein nein ja ja elm. WW ja nein ja ja schwache WW ja ja ja ja Gravitation ja ja ja ja Zu jedem dieser Fermionen gibt es ein entsprechendes Antiteilchen: e e +, ν e ν e, u ū, d d,...

26 Leptonen Lepton Masse Lebensdauer e 511 kev (> a) µ MeV s τ GeV s ν < 2 ev (?)

27 Leptonen Lepton Masse Lebensdauer e 511 kev (> a) µ MeV s τ GeV s ν < 2 ev (?) ursprüngliche Theorie der elektroschwachen WW ( ursprüngliches Standardmodell): m νe = m νµ = m ντ = 0.

28 Leptonen Lepton Masse Lebensdauer e 511 kev (> a) µ MeV s τ GeV s ν < 2 ev (?) ursprüngliche Theorie der elektroschwachen WW ( ursprüngliches Standardmodell): m νe = m νµ = m ντ = 0. bislang kein direkter Nachweis von Neutrinomassen

29 Leptonen Lepton Masse Lebensdauer e 511 kev (> a) µ MeV s τ GeV s ν < 2 ev (?) ursprüngliche Theorie der elektroschwachen WW ( ursprüngliches Standardmodell): m νe = m νµ = m ντ = 0. bislang kein direkter Nachweis von Neutrinomassen indirekt : Neutrinooszillationen ν e ν µ ν τ Eigenzust. ν 1,2,3, m ev 2, m 2 32 = ev 2

30 Leptonen Lepton Masse Lebensdauer e 511 kev (> a) µ MeV s τ GeV s ν < 2 ev (?) ursprüngliche Theorie der elektroschwachen WW ( ursprüngliches Standardmodell): m νe = m νµ = m ντ = 0. bislang kein direkter Nachweis von Neutrinomassen indirekt : Neutrinooszillationen ν e ν µ ν τ Eigenzust. ν 1,2,3, m ev 2, m 2 32 = ev 2 4. Fermion-Generation? Z 0 -Breite: Z 0 P N i=1 νi νi N = 2.92 ± 0.06 sofern mν i < 45 GeV

31 Quarks Quarks werden nicht als freie Teilchen beobachtet, sondern nur als Bestandteile von Hadronen (,,Confinement )

32 Quarks Quarks werden nicht als freie Teilchen beobachtet, sondern nur als Bestandteile von Hadronen (,,Confinement ) Bestimmung von Massen schwierig, Lebensdauern nicht wohl definiert

33 Quarks Quarks werden nicht als freie Teilchen beobachtet, sondern nur als Bestandteile von Hadronen (,,Confinement ) Bestimmung von Massen schwierig, Lebensdauern nicht wohl definiert m u / MeV M d / MeV m s / MeV m c / GeV m b / GeV m t / GeV ± ± ± ±3.3

34 Quarks Quarks werden nicht als freie Teilchen beobachtet, sondern nur als Bestandteile von Hadronen (,,Confinement ) Bestimmung von Massen schwierig, Lebensdauern nicht wohl definiert m u / MeV M d / MeV m s / MeV m c / GeV m b / GeV m t / GeV ± ± ± ±3.3,,Strommassen ; die effektiven,,konstituentenmassen sind z.t. deutlich größer (z.b. M u M d m p/ MeV)

35 Quarks Quarks werden nicht als freie Teilchen beobachtet, sondern nur als Bestandteile von Hadronen (,,Confinement ) Bestimmung von Massen schwierig, Lebensdauern nicht wohl definiert m u / MeV M d / MeV m s / MeV m c / GeV m b / GeV m t / GeV ± ± ± ±3.3,,Strommassen ; die effektiven,,konstituentenmassen sind z.t. deutlich größer (z.b. M u M d m p/ MeV) Jedes Quark existiert in drei,,farbladungen (,,rot,,,grün,,,blau )

36 Quarks Quarks werden nicht als freie Teilchen beobachtet, sondern nur als Bestandteile von Hadronen (,,Confinement ) Bestimmung von Massen schwierig, Lebensdauern nicht wohl definiert m u / MeV M d / MeV m s / MeV m c / GeV m b / GeV m t / GeV ± ± ± ±3.3,,Strommassen ; die effektiven,,konstituentenmassen sind z.t. deutlich größer (z.b. M u M d m p/ MeV) Jedes Quark existiert in drei,,farbladungen (,,rot,,,grün,,,blau ) Summe der elektrischen Ladungen aller Fermionen einer Generation: 2 Q Leptonen + Q Quarks = = 0 3 3

37 1.4.2 Wechselwirkungen Es gibt vier bekannte Wechselwirkungen: WW Austausch-Boson Spin Masse rel. Stärke starke g (Gluon) elektromagn. γ (Photon) ( ( W ± 80.4 GeV schwache Z GeV Gravitation Graviton (postuliert) 2 (0) Die relativen Stärken hängen davon ab, was man genau miteinander vergleicht. (

38 Gravitation Vergleich Gravitation Coulomb-Kraft: F G = G m1m2 r 2 F C = α ˆq1ˆq 2 r, α = e2 2 4π 1 137, ˆq i = qi e

39 Gravitation Vergleich Gravitation Coulomb-Kraft: F G = G m1m2 r 2 F C = α ˆq1ˆq 2 r, α = e2 2 4π 1 137, ˆq i = qi e Gravitationskonstante: G = Nm2 kg 2

40 Gravitation Vergleich Gravitation Coulomb-Kraft: F G = G m1m2 r 2 F C = α ˆq1ˆq 2 r, α = e2 2 4π 1 137, ˆq i = qi e Gravitationskonstante: 11 Nm2 G = kg = 1, 2 MP 2,,Planckmasse : M P = GeV Übungsaufgabe!

41 Gravitation Vergleich Gravitation Coulomb-Kraft: F G = G m1m2 r 2 F C = α ˆq1ˆq 2 r, α = e2 2 4π 1 137, ˆq i = qi e Gravitationskonstante: 11 Nm2 G = kg = 1, 2 MP 2,,Planckmasse : F G F C = 137 ˆq 1ˆq 2 m 1 m 2 ( GeV) 2 M P = GeV Übungsaufgabe!

42 Gravitation Vergleich Gravitation Coulomb-Kraft: F G = G m1m2 r 2 F C = α ˆq1ˆq 2 r, α = e2 2 4π 1 137, ˆq i = qi e Gravitationskonstante: 11 Nm2 G = kg = 1, 2 MP 2,,Planckmasse : F G F C = 137 ˆq 1ˆq 2 m 1 m 2 ( GeV) 2 zwei Protonen: M P = GeV Übungsaufgabe! ˆq 1 = ˆq 2 = 1, m 1 = m 2 1 GeV FG F C 10 36

43 Für die meisten Probleme der ETP ist die Gravitation irrelevant und kann vernachlässigt werden.

44 Für die meisten Probleme der ETP ist die Gravitation irrelevant und kann vernachlässigt werden. Das Standard-Modell beschreibt die übrigen drei WW.

45 Für die meisten Probleme der ETP ist die Gravitation irrelevant und kann vernachlässigt werden. Das Standard-Modell beschreibt die übrigen drei WW. Die Gravitation wird erst wichtig, wenn Massen (Energien) der Größenordnung M P = GeV ( 20µg) auf teilchenphysikalische Volumina ( 1fm 3 ) konzentriert sind.

46 Für die meisten Probleme der ETP ist die Gravitation irrelevant und kann vernachlässigt werden. Das Standard-Modell beschreibt die übrigen drei WW. Die Gravitation wird erst wichtig, wenn Massen (Energien) der Größenordnung M P = GeV ( 20µg) auf teilchenphysikalische Volumina ( 1fm 3 ) konzentriert sind. Bsp.: kurz nach dem Urknall (Dimensionsanalyse: t < t P = 1 M P s)

47 Für die meisten Probleme der ETP ist die Gravitation irrelevant und kann vernachlässigt werden. Das Standard-Modell beschreibt die übrigen drei WW. Die Gravitation wird erst wichtig, wenn Massen (Energien) der Größenordnung M P = GeV ( 20µg) auf teilchenphysikalische Volumina ( 1fm 3 ) konzentriert sind. Bsp.: kurz nach dem Urknall (Dimensionsanalyse: t < t P = 1 M P s) Hier verliert das SM seine Gültigkeit. Man benötigt eine Quantentheorie der Gravitation, die noch nicht existiert (Schwierigkeiten bei der Quantisierung der ART).

48 Für die meisten Probleme der ETP ist die Gravitation irrelevant und kann vernachlässigt werden. Das Standard-Modell beschreibt die übrigen drei WW. Die Gravitation wird erst wichtig, wenn Massen (Energien) der Größenordnung M P = GeV ( 20µg) auf teilchenphysikalische Volumina ( 1fm 3 ) konzentriert sind. Bsp.: kurz nach dem Urknall (Dimensionsanalyse: t < t P = 1 M P s) Hier verliert das SM seine Gültigkeit. Man benötigt eine Quantentheorie der Gravitation, die noch nicht existiert (Schwierigkeiten bei der Quantisierung der ART). Im täglichen Leben und in der Kosmologie kann die Gravitation nicht vernachlässigt werden, da alle anderen WW auf diesen Distanzen klein oder abgeschirmt sind ( Np Ne N p ).

49 elektromagnetische WW Austausch virtueller Photonen

50 elektromagnetische WW Austausch virtueller Photonen Beispiele: e µ γ Zeit e µ Elektron-Myon-Streuung

51 elektromagnetische WW Austausch virtueller Photonen Beispiele: e µ e u γ γ Zeit e µ Zeit e u Elektron-Myon-Streuung Elektron-Quark-Streuung

52 elektromagnetische WW Austausch virtueller Photonen Beispiele: e µ e u e e γ γ γ Zeit e µ Zeit e u Zeit e u uµ Elektron-Myon-Streuung Elektron-Quark-Streuung Quark-Antiquark-Annihilation in e + e

53 Eigenschaften: Die Teilchensorte wird durch Streuung am Photon nicht geändert,

54 Eigenschaften: Die Teilchensorte wird durch Streuung am Photon nicht geändert, ebenfalls nicht bei Annihilations- und Paarerzeugungsprozessen, wenn man die Antiteilchen als,,rückwärts in der Zeit laufende Teilchen interpretiert.

55 Eigenschaften: Die Teilchensorte wird durch Streuung am Photon nicht geändert, ebenfalls nicht bei Annihilations- und Paarerzeugungsprozessen, wenn man die Antiteilchen als,,rückwärts in der Zeit laufende Teilchen interpretiert. m γ = 0 Reichweite =

56 Eigenschaften: Die Teilchensorte wird durch Streuung am Photon nicht geändert, ebenfalls nicht bei Annihilations- und Paarerzeugungsprozessen, wenn man die Antiteilchen als,,rückwärts in der Zeit laufende Teilchen interpretiert. m γ = 0 Reichweite = Bsp.: Punktladung V 1 r E 1 r 2 elektr. Fluss durch konzentrische Kugelschalen (Gauß): Φ = S d σ E 4π r 2 1 r = const. 2

57 Eigenschaften: Die Teilchensorte wird durch Streuung am Photon nicht geändert, ebenfalls nicht bei Annihilations- und Paarerzeugungsprozessen, wenn man die Antiteilchen als,,rückwärts in der Zeit laufende Teilchen interpretiert. m γ = 0 Reichweite = Bsp.: Punktladung V 1 r E 1 r 2 elektr. Fluss durch konzentrische Kugelschalen (Gauß): Φ = d σ E 4π r 2 1 r = const. 2 S,,Nichts geht verloren. Reichweite =

58 schwache WW Austausch virtueller W ± und Z 0

59 schwache WW Austausch virtueller W ± und Z 0 1. Beispiel: β-zerfall des Neutrons n p + e + ν e

60 schwache WW Austausch virtueller W ± und Z 0 1. Beispiel: β-zerfall des Neutrons p u d u e ν e n p + e + ν e elementarer Prozess: d u + e + ν e W u d d n

61 schwache WW 2. Beispiel: Λ-Zerfall Λ p + π p u d u π d u elementarer Prozess: s u + d + ū u d s Λ W

62 schwache WW 2. Beispiel: Λ-Zerfall p u d u π d u Λ p + π elementarer Prozess: s u + d + ū u d s Λ W 3. Beispiel: µ -Zerfall ν µ e ν e µ e + ν µ + ν e W µ

63 schwache WW 4.Beispiel: e + ν e Elektron-Neutrino-Streuung e + ν e e ν e ν e e Ζ 0 W e ν e e ν e