Struktur der Materie für Lehramt

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1 Struktur der Materie für Lehramt Einführung: Kern und Teilchenphysik Michael Martins, Georg Steinbrück Universität Hamburg Sommer-Semester 2012

2 Inhalt Einführung in den Bereich Kern- und Teilchenphysik Energien Elementeilchen Symmetrien/ Erhaltungssätze Teilchen und Kräfte Methoden der Kern- und Teilchenphysik 2

3 Einführung in die Teilchenphysik Größe in Atomen in Metern Typische Energien Atomphysik ev = 1.6x10-19 J n p n n p p Kernphysik kev MeV p q e GeV Teilchenphysik TeV (Elementar)Teilchen Wechselwirkungen

4 Kern und Teilchenphysik Längenskalen < m Quantenmechanik spezielle Relativitätstheorie relativistische Quantenfeldtheorie Elementarteilchenphysik: Ziel: Auffinden der elementaren (=strukturlosen) Bausteine Untersuchung ihrer Eigenschaften Untersuchung der Kräfte, die zwischen den Teilchen wirken allgemeine Theorie Kernphysik: Ziel: Systematik der Atomkerne und deren Zerfälle Komplexe Systeme, oft keine analytischen Berechnungen möglich Martins, Steinbrück: Struktur der Materie für Lehramt

5 Kern und Teilchenphysik 3 Familien von je zwei Quarks (q) Kommen nur in gebundenen Zuständen vor! - qq (Mesonen) und qqq (Baryonen) Baryonen Mesonen 3 Familien von je zwei Leptonen (e -,ν e ) Fermionen: Spin (=Eigendrehimpuls)1/2 Proton Neutron

6 Fundamentale Wechselwirkungen Kräfte vermittelt durch Austauschteilchen. Bosonen: Haben geradzahligen Spin Form der Kräfte folgt aus Symmetrieprinzip (Eichinvarianz) Ziel: Konsistente Theorie, die mit möglichst wenigen Parametern auskommt.

7 Elementare Bausteine der Materie + Higgs-Teilchen, H (?) Symmetrie: Ordnung in jeweils 3 Familien (vergl. Periodensystem) Zu jedem Teilchen existiert ein Antiteilchen mit: +Antiteilchen mit gleicher Masse aber jeweils entgegengesetzten Quantenzahlen gleicher Masse entgegengesetzter Ladung

8 Wechselwirkungen und Symmetrien Wechselwirkungen unterscheiden sich durch ihre Stärke, Reichweite und Erhaltungsgrößen. Verbindung von Symmetrie Erhaltungsgröße Noether-Theorem Zeitverschiebung Ortsverschiebung Drehung Energieerhaltung Impulserhaltung Drehimpulserhaltung Analog: Ladung, Leptonenzahl, Baryonenzahl für alle WW erhalten(?) Quantenzahlen Motivation Quantenzahlen: Beispiel Baryonenzahl Das Proton (leichtestes Baryon) ist stabil (τ>10 31 a) Beoachtet wird Neutron beta-zerfall: Aber nicht: n n p + e p + e + ν e + ν e

9 Baryonenzahl Beoachtet wird: p,n wird Baryonenzahl B=+1 zugeordnet p n wird Baryonenzahl B=-1 zugeordnet Baryonenzahl additiv, B ein =B aus beobachtet wird oder Photon, Meson, (und auch W,Z,g) haben B=0 Das ganze ist konsistent, wenn Baryonen (qqq) B=1 pp p + p + p + pp 0 π pp p pp γpp B( q) = 1 3 B( q) = Mesonen ( qq)b=0 1 3

10 Leptonenzahl Beoachtet wird: nicht aber Einführung Leptonenzahl ( e ( µ, ν ) : e, ν ) : ( τ, ν ) : τ µ L e µ e ν eν µ µ e γ = 1, L µ = 0, L τ = Erlaubt durch Energie-, Impuls, Drehimpulserhaltung Für Antiteilchen: (e +,ν e ) : L e + = 1, L µ = 0, L τ = 0 Alle anderen Teilchen haben Leptonenzahl L=0. etc. Leptonenzahl additiv. Es gilt auch hier: L ein =L aus

11 Weitere Erhaltungsgrößen Folgende Größen sind nur zum Teil erhalten: Flavourquantenzahlen Isospin, Charm, Beauty, Top (später mehr dazu!) Nicht in allen WW erhalten Allgemein gilt: Je stärker die WW, desto mehr Quantenzahlen sind erhalten. Raum-Zeit, Teilchen-Antiteilchen Symmetrie/ Quantenzahlen: P Parität (Raumspiegelung) C Ladungskonjugation T Zeitspiegelung Und Kombinationen wie CP, CPT. Bemerkung: CPT immer erhalten!

12 Zusammenfassung aktueller Stand

13 Stabile Teilchen

14 Stabile Teilchen

15 Das Standardmodell der Teilchenphysik

16 Das Standardmodell der Teilchenphysik Beschreibt das gesamte exp. Wissen, in Bereichen, wo Theorie ausgerechnet werden kann. Vorhersagen! Bisher noch keine ernsthaften Widersprüche Experiment Theorie! Alle Kräfte folgen aus einheitlichem Prinzip Beschreibung der Massen der Elementarteilchen möglich: Higgs Mechanismus. Aber: Higgs-Teilchen noch nicht gefunden. >20 freie Parameter (experimentel bestimmt) viel für elementare Theorie 3 Teilchenfamilien, 3+1 WW Massen der Elementarteilchen sehr unterschiedlich: m top /m e ~400000: Warum? Unterschied der Kräfte: stark/gravitation= Einbindung der Gravitation noch nicht gelungen. Standardmodell erster Schritt. Keine endgültige Theorie.

17 Kernphysik Nuklidkarte: >6000 Kerne, nur ~300 stabil Zeigt Aufbau der Kerne (Protonenzahl Z gegen Neutronenzahl N) Wichtig: Grenzen der Stabilität. Stabile Kerne auf engem Band WW zwischen Nukleonen, Rest-WW der gebundenen gg-zustände Besonderheiten Kernphysik: Auf elementarer Ebene Teilchenphysik ABER: Vielkörperprobleme kompliziert, nicht analytisch zu lösen. Schwierig, fundamentale Gesetze zu finden. Zahlreiche Anwendungen Moderne Forschungsgebiete: Kernmaterie unter hohem Druck-- Ursprung der Materie, Quark-Gluon Plasma Martins, Steinbrück: Struktur der Materie für Lehramt 17

18 Methoden der Kern- und Teilchenphysik Exp. Ergebnisse Beschreibung durch Modelle, Theorie Vorhersage neuer Experimente Enge Zusammenarbeit Experiment-Theorie wesentlich Entdeckungen als Überraschung: Messgeräte in neuem Bereich Bsp. Röntgenstrahlen, J/Ψ-Teilchen, CP-Verletzung Entdeckungen aufgrund theor. Vorhersagen: Antiproton, P-Verletzung, W, Z Bosonen, Higgs-Teilchen?, Supersymmetrie? Experimente meist an Teilchenbeschleunigern (auch für moderne Fragestellungen der Kernphysik!) LHC Proton-Proton-Beschleuniger am CERN

19 Methoden der Kern- und Teilchenphysik An Großexperimenten in großen Kollaborationen: Beispiel CMS/LHC Enge Verknüpfung mit Theorie: Phenomenologie, Modellbildung, Vorhersagen Enge Verbindungen zu Kosmologie, Astrophysik, Mathematik, Informatik

20 Historische Entwicklung (willkürliche Auswahl) Experiment Theorie 1895 Röntgen Röntgenstrahlen 1896 Becquerel Radioaktivität 1897 Thomson Elektron (e/m) 1911 Rutherford Atomkern 1922 Compton Compton Effekt 1932 Chadwick Neutron 1932 Anderson Anti-Elektron 1937 Anderson, Neddermayer Myon 1939 Hahn, Straßmann Kernspaltung 1952 Fermi, Anderson Nukleonresonanzen 1955 Chamberlain, Segre Antiproton 1956 Reines,Cowan Neutrino 1964 Cronin, Fitch CP-Verletzung 1968 SLAC Quarks in ep-ww 1974 Richter,Ting J/ψ-Teilchen 1974 Ledermann Υ-Teilchen 1979 DESY Gluon 1983 CERN W-Z-Teilchen 1989 CERN Anzahl Neutrinos = FNAL Top-Quark 1996 GSI Kern mit Z= Japan Neutrinooszillation 2000 FNAL τ-neutrino 1900 Planck Wirkungsquantum 1905 Einstein Photon, E=mc Dirac Antimaterie 1932 Heisenberg Isospin 1933 Pauli Neutrino 1934 Fermi Theorie β-zerfall 1935 Yukawa Mesonen-Hypothese der Kernkraft 1935 Weizsäcker Kern-Massenformel 1949 Tomonaga, Feynman, Schwinger QED 1949 Göppert-Mayer, Jensen Schalenmodell Kern 1956 Lee, Yang Paritätsverletz Gell-Mann, Zweig Quark-hypothese 1964 Glashow,Weinberg,Salam Elektroschwache Verein Fritzsch, Gell-Mann QCD 1973 Green, Politzer, Wilczek Asymptotische Freiheit Viele dieser Schlüsselentdeckungen werden Thema in dieser Vorlesung sein.

21 Anwendungen Spinoff-Produkte der Kern- und Teilchenphysik WWW + Grid-Computing Beschleuniger und Nachweismethoden in Festkörperphysik, Materialwissenschaften Chemie, Biowissenschaften Medizin (Therapie und Diagnose) Energie Gasdetektor für Röntgenanalyse Synchrotronstrahlung: Beugungsbild eines Biomoleküls Strukturbestimmung Biomolekül Fledermaus: Radiographie 9 kev Photonen Martins, Steinbrück: Struktur der Materie für Lehramt 21

22 Literatur (Kern- und Teilchenphysik) Experimentalphysik 4, W. Demtröder, Springer Verlag (2005) Nuclear and Particle Physics, W.S.C.Williams, Clarendon Press, Oxford Teilchen und Kerne, B.Povh, K.Rith, C.Scholz, F.Zetsche, Springer Particle Physics Booklet, Particle Data Group, extracted from Review of Particle Physics, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 37 (2010); außerdem empfohlen Bergmann Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 4, Bestandteile der Materie Atome, Moleküle, Atomkerne und Elementarteilchen, W.de Gruyter, Berlin & New York 2003 Synchrotronstrahlung: Kernphysik, K.Bethge, G.Walter, B.Wiedemann, Springer (2001) Beugungsbild eines Biomoleküls Atome-Moleküle-Kerne, Bd.2 (Molekül und Kernphysik) Otter/Honecker, Teubner (1996) Einführung in die Elementarteilchenphysik, E.Lohrmann, Teubner Studienbücher Schulbuch J. Grehn und J. Krause, Metzler Physik, 3. Auflage, Schroedel Verlag Martins, Steinbrück: Struktur der Materie für Lehramt 22

23 Weitere alte, schlecht leserliche Tabellen Synchrotronstrahlung: Beugungsbild eines Biomoleküls Martins, Steinbrück: Struktur der Materie für Lehramt 23

24 Stabile Teilchen

25 Zusammenfassung aktueller Stand