Kapitel 2. Historischer Überblick

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1 Kaitel 2 Historischer Überblick Es wird ein kurzer Überblick über die historische Entwicklungen gegeben, die zum heutigen Verständniss des Aufbaues der Materie führten (natürlich unvollständig...) Zitate Der Gebräuchlichen Redeweise nach gibt es Farbe, Süsses, Bitteres, in Wahrheit aber nur Atome und Leere. (Demokrit) Now the smallest Particles of Matter may cohere by the strongest Attraction, and comose bigger Particles of weaker Virtue... There are therefore Agents in Nature abel to make the Particles of Bodies stick together by very strong Attractions. And it is the Buisness of exerimental Philosohy to find them out. (Newton, in Otics (1680)) Les Philosohes qui font des systèmes sur la secrète construction de l univers, sont comme nos voyageurs qui vont a Constantinole, et qui arlent du Sérail: Ils n en on vu que les dehors, et ils rétendent savoir ce que fait le Sultan aves ses Favorites. (Voltaire, in Pensées Philosohiques (1766)) Was ist ein Elementarteilchen? T.D. Lee, C.N. Yang: Da wir zu wissen glauben, was ein Molekül, ein Atom oder ein Kern ist, nennen wir alle kleinen Teilchen, die weder Moleküle, noch Aome noch Kerne sind, Elementarteilchen. (Ausnahme: Proton ist Kern und Elementarteilchen) Ältere Vorstellungen, Antike bis Renaissance um 400 v. Chr: Griechische Philosohen entwickeln Vorstellungen über das Wesen der Materie (hilosohisch sekulativ, nicht emirisch): Demokrit, Leuki: kleinste unteilbare Bausteine: Atome: (gr. τ oµoς = unteilbar)

2 25 Anaxagoras: ganzheitliche Vorstellung ( Samen im Samen ) Aristoteles: kontinuierliche Materie Pythagoras: Atome und Symetrien Renaisance: Einführung reroduzierbarer Exerimente (Newton, Gallieleo) 19. Jahrhundert: Entdeckung der Atome und atomarer Effekte 19. Jh.: Erste exerimentelle Hinweisse auf atomare Strukturen der Materie: (Dalton, Clausius, Maxwell, Boltzmann, Wiener, Avogadro,...) kinetische Gastheorie Gesetz der multilen Proortionen: zb.: 16g O + 2g H = 18g H 2 O 1886: Entdeckung der radioaktiven Strahlung durch Becquerel (danach Entdeckung von, β, und γ Strahlung) 1897: Identifizierung der Elektrons (e/m) durch Thomson 1910: Milikanscher Öltröchenversuch: Bestimmung der Elementarladung e 1911: Atommodell von Rutherford: das Atom besteht aus einem Kerm mit ositiver Ladung Ze und einer Hülle mit negativer Ladung Ze (Versuche mit Strahlung, kleiner Imulsübertrag kleiner Streuwinel, großer Imulsübertrag großer Streuwinkel) weich harte Kerne Frühes 20. Jh.: Entdeckung der ersten Teilchen, Kernhysik 1919: Ruherford: 7 N (Entdeckung des Protons) 1932: Chadwick: Entdeckung des Neutrons, führt zur Erklärung der Isotoe (gleiches Element, unterschiedliche Massen). Damit sind alle Atombausteine bekannt. 20 er Jahre: Quantentheorie der Elementarteilchen ab 1928: Entwicklung der Quantenelektrodynamik (QED, Bjorken und Drell): Das elektromagnetische Feld wird quantisiert und nicht mehr durch ein einfaches Potential dargestellt wie in der Schrödinger Gleichung: Feldquant: das Photon γ

3 26 Historischer Überblick Kraft: vermittelt durch Teilchenaustausch, Bs.: Elektron Elektron Streuung (Möller Streuung, Feynman Diagram ) t γ Kolungstärke: Feinstrukturkonstante e 2 : = e2 4πɛ 0 c Das gleiche Diagramm, bei der die Zeitrichtung anstelle von oben nach unten von rechts nach links verläuft bedeutet die Vernichtung und Erzeugung von Teilchen (e ) und Antiteilchen (e + ) (Babbah Streuung): t e+ e+ γ 1928: Dirac: Gleichung des freien Elektrons (relativistische Schrödinger Gleichung für Sin 1 Teilchen) mit 2 Lösungen: Teilchen und Antiteilchen, z.b. Paarerzeugung 2 im Coulombfeld eines Kernes: γ e + e - Ze γ e + e - Materie Antimaterie (Umkehrung der Quantenzahlen), z.b. H und Anti H: e - e + (im Kosmos gibt es (offensichtlich) überwiegend Materie warum? 1931: Pauli: Untersuchung des Kern β Zerfalles, Postulierung des Neutrinos 1932: Anderson: Entdeckung des Positrons (e + ) 1934: Yukava: Meson Theorie der Kernkräfte, exerimentelle Beobachtung der Kernkräfte (WW sei im Folgenen verwendet für Wechselwirkung): Ladungsunabhängigkeit: W W ( ) = W W (n )

4 27 Kurze Reichweite: m stark im Vergleich zur elektromagnetischen Wechselwirkung ( nicht abstoßend) Betrachten z.b. elastische Streuung (oder n n, n ), die analog zur QED durch ein ausgetauschtes Teilchen (π Meson) vermittelt werden soll: t π Elastisch Energieübertrag E π = 0, woraus folgen würde: m 2 π = E 2 π 2 π < 0 damit hätte das ausgetauschte Pion ein negatives Massenquadrat! Man sagt, dass das Austauschteilchen sich nicht auf der Massenschale befindet und nennt es virtuell. Dies kann so interretiert werden, dass der Energieübertrag E während einer kurzen Zeit t eine Unschärfe E m π hat: E t t m π c Die Zeit t wird durch die Zeit, die das Pion braucht, um von einem Proton zu andern zu kommen, abgeschätzt. Die Protonen haben den Abstand R, die tyische Reichweite der Wechselwirkung: R c t m π c Die Reichweite entsricht also der Comtonwellenlänge des Austauschteilchens. Da man r m = 1 fm gemessen hat, kann man daraus die Masse des π Mesons abschätzen (mit c 200 MeV fm): m π 200 MeV/c : Entdeckung des Myons (µ), m µ 106 MeV/c 2 ; das Myon ist tatsächlich ein schweres Elektron, also ein Leton Ab 1950: Entwicklung des Teilchenzoos 1947: π Meson entdeckt, m π 140 MeV/c 2 ab 1950: Viele neue Teilchen und Resonanzen werden gefunden, langsam entwickelt sich der Teilchenzoo : K, ρ, ω,...: Mesonen (wie das Pion) Λ,, Σ,...: Baryonen (wie Proton und Neutron)

5 28 Historischer Überblick Teilchen werden in Beschleuniger erzeugt, nicht nur mit kosmischer Strahlung. 1955: Entdeckung des Anti Protons ( ) durch Serge, Chamberlain, Wiegand und Ysilantis. 1957: Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung entdeckt, keine Siegelsymmetrie der Naturgesetze, z.b. beim β Zerfall (Pauli s Neutrinohyothese von 1931, gefunden von Reines 1957): n + e + ν e Teilchen linkshändig, Antiteilchen rechtshändig: ν ν aber Invarianz bei der CP T Transformation (CP T : Teilchen Antiteilchen + Raumsiegelung + Zeitsiegelung) Ab 1965: Entwicklung und Bestätigung des Quarkmodelles 1964: Entwicklung des Quarkmodelles von Gell-Mann und Zweig: die Hadronen (dh. Mesonen und Baryonen) sind aus u, down und strange Quarks aufgebaut (u, d, s): Baryonen: qqq Zustände ( = uud, n = udd ) Mesonen: q q Zustände (π + = u d ) 1969: Tiefinelastische Elektron Proton Streuexerimente: die körnige Struktur der Nukleonen wird gesehen (wie bei Rutherford Exeriment) 1974: 4. Quark entdeckt (c oder charm Quark) 1975: 3. Leton entdeckt (τ, Letonen: e, µ, τ) 1977: 5. Quark entdeckt (b oder bottom Quark) 1979: Am DESY wird das Gluon g entdeckt, Austauschteilchen der starke Wechselwirkung, Entwicklung der Quantenchromodynamik (entsrechend dem Photon als Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung) 80 er: Vereinheitlichung der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung 1983: Am CERN werden die W ± und Z 0 Bosonen entdeckt, die Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung (Quanteflavourdynamik). Damit wird die Theorie von Glashow, Weinberg und Salam (GSW) der Vereinheitlichung der elekromagnetischen und schwachen Wechselwirkung exerimentell bestätigt. Nobelreis : Anzahl der Neutrinos ist drei (bei LEP), drei Fermion Generationen analog zu den Quarkfamilien bestätigt.

6 : Am TEVATRON wird das 6. Quark entdeckt (t oder to Quark) 1998: KAMIOKANDE: erste Hinweisse auf Neutrinomassen Neueste Entwicklungen, Zukunft Obwohl die heutigen Modellvorstellungen der Elementarteilchenhysik exerimentell mit sehr hoher Präzision bestätigt wurden, sind lange noch nicht alle Fragen beantwortet: Was ist der Ursrung der Masse? Warum haben Elektronen und Protonen bis auf das Vorzeichen exakt gleiche Ladungen? Aktuelle Exerimente suchen zum Beisiel nach einer möglichen Substruktur von Quarks und Letonen oder nach der Ursache der Asymmetrie von Materie und Antimaterie im Universum. Theoretische Fragen beschäftigen sich heute vor allem mit der Frage, ob alle bekannten Wechselwirkungen einschließlich der Gravitation, als eine vereinheitlichte Theorie beschrieben werden können. 2000: Am CERN werden mögliche Hinweisse auf das Higgs Teilchen gesehen, die Statistik reicht allerdings noch nicht aus, um von einer Entdeckung zu srechen. Endgültige Aufklärung kann erst LHC bringen. 2001: Bei BaBar (SLAC) und Belle (KEK) wird die CP Verletzung im B B System exerimentell bestätigt ca. 2008: Start von LHC am CERN (Proton Proton Kollider mit E = 7 TeV ro Strahl. Entdeckung der Higgs, Untersuchungen zur Suersymmetrie, Exerimente ATLAS und CMS. ca. 2010: Start von TESLA (Elektron Antielektron Kollider mit E e 400 GeV ro Strahl). Präzesionsmessungen zur Higgs-Theorie und Suersymmetrie, in Verbindung mit einem Freien Elektron Laser (FEL, Laserlicht im Röntgenwellenlängenbereich) Wir nehmen an, dass jetzt alle elementaren Fermionen (dh. Letonen und Quarks) bekannt sind. Verbunden mit den Quantenfeldtheorien der Wechswlwirkungen ergibt sich eine abgerundete Theorie: Standard Modell der Elementarteilchenhysik Die Quarks und Letonen treten in drei verschiedene Familien oder Generationen auf, die sich nur in den Massen der Teilchen unterscheiden, sonst aber in allen Quantenzahlen und Eigenschaften exakt übereinstimmen: Familie q = 2 3 q = 1 3 q = 1 q = 0 1. u r u b u g d r d b d g e ν e 2. c r c b c g s r s b s g µ ν µ 3. t r t b t g b r b b b g τ ν τ In jeder Familie tritt ein Quark mit der Ladung 2 3 e1 auf, eines der Ladung 1 e und jeweils ein Leton mit Ladung 1 und 0. Jedes Quark wird 3 1 e ist die Elementarladung entsrechend des Ladungsbetrages des Elektrons

7 30 Historischer Überblick durch die Flavour Quantenzahl (u, d, s,...) charakterisiert. Jedes Quark trägt zusätzlich eine Farbladung rot r, blau b oder grün g, die die Träger der starken Wechselwirkung sind. Die Quarks koeln an die starke und an die schwache Wechselwirkung, die Letonen nur an die schwache Wechselwirkung. Die Fermionen der 1. Generation sind die Teilchen, die unserer gesamte stabile Materie aufbauen. Für Materieteilchen muss ein Erhaltungsrinzi gelten. Ferner unterliegen die Teilchen der Fermi Dirac Statistik, haben antisymetrische Wellenfunktionen (Ψ(x 1,..., x r, x r+1,..., x n ) = Ψ(x 1,..., x r+1, x r,..., x n )), können deshalb nicht in allen Quantenzahlen übereinstimmen und sind immer unterscheidbar und müssen demnach einen halbzahligen Sin besitzen. Durch die starke Wechselwirkung oder die Farbkräfte werden die Quarks zu Hadronen. Alle Teilchen, die an der starken Wechselwirkung teilnehmen, nennt man Hadronen. Dabei unterscheidet man zwischen 3 Quarkzuständen ( qqq ) den Baryonen und Quark Antiquarkzuständen ( q q ) den Mesonen. Die Wechselwirkungen werden durch den Austausch von Teilchen, sogenannten Bosonen, beschrieben: WW Boson Masse relat. Stärke R τ Gravitation Graviton G ? elektromag. Photon γ s schwach W ±, Z 0 90 GeV m 10 8 s stark 8 Gluonen g m s Die Wechselwirkungen unterscheiden sich durch ihre Reichweiten R, die Kolungstärken und die tyischen Lebensdauern τ. Je stärker die Kolung, desto größer sind die Wirkungquerschnitte und entsrechend kleiner sind die Lebensdauern. Für Austauschteilchen darf kein Erhaltungsrinzi gelten, man muß, um ein Wechselwirkungsfeld zu erzeugen beliebig viele Teilchen im gleichen Zustand erzeugen können. Die Teilchen gehorchen der Bose Einstein Statistik, haben symmetrische Wellenfunktionen (Ψ(x 1,..., x r, x r+1,..., x n ) = +Ψ(x 1,..., x r+1, x r,..., x n )) und müssen demnach einen ganzzahligen Sin besitzen. Zum Schluss sind die wichtigsten Oberbegriffe für Teilchen, die wir im Folgenen immer wieder verwenden werden, nochmals zusammengestellt: halbzahliger Sin (± 1, ± 3 ) 2 2 ganzzahliger Sin (±0, ±1) Kolung Fermionen Bosonen starke WW Baryonen Mesonen schwache WW Letonen