HÖHERE PHYSIK SKRIPTUM VORLESUNGBLATT XII Elementarteilchenphysik

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1 Prof. Dr. F. Koch Dr. H. E. Porteanu SS 005 HÖHERE PHYSIK SKRIPTUM VORLESUNGBLATT XII Elementarteilchenphysik 1. Einführung. Im 193 hat J. Chadwick das Neutron entdeckt. Die Bausteine der Materie schienen zu dieser Zeit das Elektron (e), das Proton (p) und das Neutron (n) zu sein. Das Neutron ist instabil und hat eine Lebenszeit von 15 Min. Die Reaktion ist ein ß-Zerfall. Um die Energie, Impuls und Drehimpuls zu erhalten hat Pauli die Existenz eines neuen Teilchens postuliert, das Neutrino (ν). Die schon damals erkannten Kräfte waren: 1. Starke WW: Nukleon Nukleon (z.b. p-p, p-n oder n-n). Die beteiligte Teilchen heißen Hadronen.. Schwache WW: Nukleon Elektron bei dem ß-Zerfall. Die anderen Teilchen heißen Leptonen 3. Elektromagnetische WW: Ladung Ladung 4. Gravitations-WW: Masse Masse. Bekannte Teilchen in 1930: Leptonen Hadronen e -, ν e p, n Yukawa, 1935, postulierte die Existenz des Mesons als Träger der starken WW: E = m c π E t h 15 ch ch R 10 m < c t = = m 00 MeV 400m π e E mπ c Die Bahnen der geladenen Teilchen, die an Stoßprozessen teilnehmen, werden in Nebelkammer (Wilson 191, niedrig E) oder Blasenkammer (Glaser 195, flüssiger H, hoch E) sichtbar. Beispiel im Abb. 1. Die Krümmung der Bahnen (links oder rechts) im Magnetfeld B gibt den Vorzeichen der Ladung (+ oder -e). Die Bahnen sind Spiralförmig (Teilchen abgebremst). Die Gesamtlänge der Bahnen gibt ebr die ursprüngliche kinetische Energie des Teilchens. Die Masse m = kann daraus ermittelt v werden. Damit wurden viele weitere Teilchen entdeckt. Ein Überblick ist in Abb.. Fragen: Was haben alle diese Teilchen gemeinsam? Wie kann man einheitlich alle 4 WW der Natur beschreiben? Die Symmetrie-Eigenschaften beantworten (teilweise) diese Fragen. 1

2 (Aus Teilchen Felder und Symmetrien, Spektrum der Wissenschaft,. Aufl. Heidelberg, 1985.)

3 (Aus Teilchen Felder und Symmetrien, Spektrum der Wissenschaft,. Aufl. Heidelberg, 1985.). Symmetrien. Die Invarianz bei verschiedenen unitären Transformationen (Symmetrie-Operationen) bestimmt die Erhaltung der entsprechenden physikalischen Größen: Transformation Erzeugender Operator Erhaltungsgröße Räumliche Translation Impulsoperator Impuls Zeitliche Translation Energieoperator Energie Drehung im Ortsraum Drehimpulsopertor Bahndrehimpuls Drehung im Isospinraum Isospinoperator Isospin.1. Parität. (E. Grimsehl, Lehrbuch der Physik B.4, Teubner 1990.) 3

4 r r Pψ ( ) = ψ ( ). Erhaltung: vor und nach dem Stoßprozess gleiche Parität. Gegenbeispiel Nichterhaltung bei ß-Zerfall: 60 Co 60 Ni +e - +ν e. Ladungskonjugation Cψ ( e ) = ψ ( e + ) ß-Zerfall invariant auf CP-Transformation. Gegenbeispiel: Zerfall des K 0 -Mesons..3 Zeitumkehr Tψ () t =ψ ( t) TCP-Theorem: Alle Zerfallprozesse sind TCP-invariant..4 Isospin (Isotopenspin, I) In Analogie zum Spin wurde die starke WW zwischen n und p quantisiert. Die starke WW ist Ladungsunabhängig aber die stabilen Kerne sind bei N n N p. Spiegelkerne (N n N p ) wie 7 Li und 7 Be haben das gleiche Energiespektrum. Ein Nukleon hat I=1/ und I 3 =1/ (p) oder -1/ (n). Dadurch entstehen Auswahlregel (erlaubte oder verbotene Übergänge) bei dem Zerfall oder Fusion der Kerne..5 Strangeness (S) Man führt die B=Baryonenzahl ein, die die Zahl der Nukleonen (p oder n) am Ende einer Reaktion zeigt. (B=1 für alle Baryonen und B=0 für alle Mesonen) Gell-Mann und Nishijima haben die Strangeness S eines Teilchens mit der Formel definiert: B + S Q = I3 + = ( 1,0, + 1) e Nach einem Stoßprozess können seltsame Hadronen entstehen. Die Summe der seltsamen Teilchen vor und nach dem Stoßprozess muss Null sein. Das ist das Erhaltungsgesetz für S. Beispiele: Hadron Strangeness S p, n, π 0 K 0 -Meson +1 Λ, Σ +,0,- -1 Ξ 0,- - Ω Hyperladung (Y) eines Hyperons (hat Masse > als p oder n) wird definiert als Y=B+S 3. Systematisierung der Hadronen Es ist möglich die Hadronen nach den Quantenzahlen Y und I 3 anzuordnen. Es entsteht eine SU(3) Symmetrie-Gruppe. (E. Grimsehl, Lehrbuch der Physik B.4, Teubner 1990.) 4

5 Die dreifache Symmetrie hat die Existenz der Quarks suggeriert. Mesonen bestehen aus einem Quark und ein Antiquark q q, Baryonen aus 3 Quarks q 1 1q q 3. Jedes Quark hat eine Farbe (RGB bzw. die Antiquarks komplementär). Alle Mesonen und Baryonen sind weiß. Das vierte Quark, neben up (u), down (d) und strange (s) hat Charme (c)! Es ist eine Ergänzung zum s-quark. Die entsprechende Quantenzahl ist C. Es führte zu einer höheren Symmetrie, SU(4). (E. Grimsehl, Lehrbuch der Physik B.4, Teubner 1990.) Selbstverständlich war die Liste der Quarks nicht vollständig. Es folgte die dritte Generation, die top und bottom oder beauty Quarks. Ein Neutron sollte wie unten aussehen: ( 5

6 Die Farbentheorie der Quarks heißt Quantenchromodynamik. Ein großer Erfolg der Quantenchromodynamik war die Entdeckung des Pentaquarks. (Aus Jefferson Lab, Physics News Update, June 30, Die Quanten der Farbfelder heißen Gluonen. Es gibt 8 Gluonen, die alle Masse Null und den Spin s=1 haben. Die Gluonen sind also wie das Photon masselose Vektor-Bosonen. Sie sind elektrisch Neutral aber jedes von ihnen trägt eine Farbe und eine Anti-Farbe. 4. Die Schwache WW und der ß-Zerfall Um die Schwache WW zu erklären, wurde die Analogie mit der WW zwei nebeneinander fließenden elektrischen Strömen gemacht (E. Fermi, 1934). Die Nichrterhaltung der Parität bei dem ß-Zerfall sollte dadurch auch erklärt werden. Die wechselwirkenden Teilchen sind die Vektor-Bosonen W ± und Z 0. ± p + p W K e + ν e K und p + p Z + K e + e ( µ + µ )K Sie wurden 1983 experimentell bewiesen. Es gibt auch Higgs -skalare Bosonen. Eine Zusammenfassung der wichtigsten Teilchen des Standard-Modells ist im nächsten Bild dargestellt: 6

7 ( Die wichtigste Kräfte der Natur, ihre Verhältnisse und Reichweiten sind im unteren Bild zu sehen: (Aus Teilchen Felder und Symmetrien, Spektrum der Wissenschaft,. Aufl. Heidelberg, 1985.) 7

8 5. Wissen wir alles über unser (Mikro- Makro-) Universum? 95% der Materie, die in unserer unmittelbaren Nähe steht, ist dunkle Materie! Die Natur, Zusammensetzung usw. sind völlig unbekannt. Die Physik bleibt weiterhin spannend. (John Carr, Centre de Physique des Particules de Marseille) Composition of Universe: ordinary matter: 5%, cold dark matter: 30%, Dark / vacuum energy: 65% What is the dark matter? (and dark energy?) 1. Astronomical objects as dark matter candidates: a. Brown Dwarfs b. White Dwarfs c. Neutron Stars/Black Holes d. Gas clouds. Particle Physics dark matter candidates: a. Neutrinos (oscillations dark matter small contribution) b. Axions WIMPS ( Weakly Interacting Massive Particle) c. Neutralinos (WIMP from Supersymmetry Theory) 6. Aufgabe Wie groß ist die minimale Energie eines γ-quants um ein Paar e + - e - zu erzeugen? Energieerhaltung: E = hν = mc > m0c = 10keV Impulserhaltung: 4 4 E E Ee m0c E / 4 m0c 4 p = pe p = 4 = 4 0 4m 0c Nicht möglich! Die c c c c Impulserhaltung erfolgt nur bei einem Stoß des γ-quants mit einem schweren Kern. ( E 0 ; p p ) K K 8

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