TEILCHEN-STECKBRIEFE ELEMENTARTEILCHEN UND WECHSELWIRKUNGEN. welt

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1 TEILCHEN-STECK ELEMENTARTEILCHEN UND WECHSELWIRKUNGEN Die Elementarteilchen-Steckbriefe können verwendet werden, um die Materie-, Antimaterieund Austauschteilchen des Standardmodells der Teilchenphysik einzuführen und zu systematisieren. In diesem Dokument finden Sie Anregungen zur Verwendung der Steckbriefe, sowie Fragen und Antworten rund um Elementarteilchen und Wechselwirkungen. IMPRESSUM Herausgeber: Michael Kobel, Thomas Trefzger Autoren: Manuela Kuhar (verantwortlich), Fabian Kuger Redaktion: Kerstin Gedigk, Michael Kobel, Carmen Leuschel Layout und Grafiken: büro quer, Projektleitung: Michael Kobel (Gesamtprojekt) Netzwerk Teilchenwelt TU Dresden, Institut für Kern- und Teilchenphysik Thomas Trefzger (Projekt Kontextmaterialien) Julius-Maximilians-Universität Würzburg Lehrstuhl für Physik und ihre Didaktik Redaktionsschluss: November 2012 Lizenz und Nutzung: Creative Commons 2.0-by-nc-nd Vervielfältigung und Weiterverbreitung des Inhalts ist bei Nennung der Quelle für Lehrzwecke ohne Rückfragen gestattet, sofern keine Veränderungen vorgenommen werden. Kommerzielle Nutzung, z.b. zu werblichen Zwecken oder in Lehrbüchern, ist ohne Rücksprache nicht gestattet. Es gilt das Impressum unter PARTNER SCHIRMHERRSCHAFT PROJEKTLEITUNG KONTEXTMATERIALIEN welt der physik

2 INFO ELEMENTARTEILCHEN-STECK HINWEISE FÜR LEHRKRÄFTE UND HINTERGRUNDINFORMATIONEN INHALT: HINWEISE FÜR LEHRKRÄFTE 1. Übersicht 2 2. Allgemeine Hinweise 3 3. Methodische Anregungen 4-6 INHALT: HINTERGRUNDINFORMATIONEN 1. Was sind Elementarteilchen? 7 2. Was bedeutet die Angabe ev/c²? 7 3. Wie erforscht man Elementarteilchen? 7 4. Was ist das Standardmodell der Teilchenphysik? 7 5. Was sind Quarks? 7 6. Was sind Leptonen? 7 7. Worin unterscheiden sich die drei Generationen der Materieteilchen? 8 8. Was ist Antimaterie? 8 9. Was geschieht, wenn ein Teilchen zerfällt? Wie bestimmt man die Massen von Quarks? Was versteht man unter der mittleren Lebensdauer eines Teilchens? Was sind Austauschteilchen und Wechselwirkungen? Was bedeutet die Reichweite einer Wechselwirkung und wovon hängt sie ab? Was sind Ladungen? Was ist eine starke Ladung (Farbladung)? Was ist eine schwache Ladung? Was ist das Higgs-Boson? 11 1

3 ELEMENTARTEILCHEN-STECK HINWEISE FÜR LEHRKRÄFTE Die Elementarteilchen-Steckbriefe können im Unterricht oder in Teilchenphysik-Masterclasses verwendet werden, um die Materie-, Antimaterie- und Austauschteilchen des Standardmodells der Teilchenphysik einzuführen oder ihre Eigenschaften zu wiederholen. In diesem Dokument finden Sie didaktische und methodische Hinweise zur Verwendung der Steckbriefe, sowie Fragen und Antworten rund um Elementarteilchen und Wechselwirkungen. Die Präsentation [Teilchen_Folien] bietet zusammenfassende Grafiken und Erklärungen. Die Steckbriefe sollten in Farbe auf kräftigem Papier ausgedruckt, ausgeschnitten und ggf. laminiert werden. Ein Satz Steckbriefe besteht aus 30 Karten: Je 12 Materie- und Antimaterieteilchen, 5 Austauschteilchen sowie das Higgs-Boson. Die Symbole auf den Steckbriefen stellen die verschiedenen Teilchensorten dar (siehe unten). Anhand der Hintergrundfarben lassen sie sich in Gruppen einteilen: Bei Materieteilchen ist der Hintergrund hellgrau, bei Antimaterieteilchen dunkelblau und bei Austauschteilchen hellgrün. Das Higgs-Boson, das zu keiner dieser Gruppen gehört, hat einen violetten Hintergrund. Es gibt zwei Versionen der Steckbriefe. Auf den Kärtchen der Kurzversion [Teilchen_Steckbriefe_kurz] sind lediglich die Masse und elektrische Ladung der Teilchen angegeben; die Langversion [Teilchen_Steckbriefe_lang] enthält außerdem die starke und schwache Ladung, Lebensdauer und Reichweite. UP-QUARKS NACHWEIS: 1969 u u u MATERIETEILCHEN Masse: 2 MeV/c 2 Elektrische Ladung: +² 3 Starke Ladung: blau, rot, grün Schwache Ladung: +¹ ² POSITRON NACHWEIS: 1932 e + ANTIMATERIETEILCHEN Masse: 0,511 MeV c 2 Elektrische Ladung: +1 Starke Ladung: Schwache Ladung: +¹ ² PHOTON NACHWEIS: 1905 γ AUSTAUSCHTEILCHEN Masse: 0 Elektrische Ladung: 0 Starke Ladung: Schwache Ladung: 0 Mittlere Lebensdauer: unbegrenzt Mittlere Lebensdauer: unbegrenzt Mittlere Lebensdauer: Reichweite: unbegrenzt unbegrenzt Up-artige Quarks Down-artige Quarks Up-artige Antiquarks Down-artige Antiquarks Elektrisch geladene Leptonen Elektrisch neutrale Leptonen (Neutrinos) Photon Gluonen W- und Z-Bosonen Higgs-Boson 2

4 ALLGEMEINE HINWEISE Einordnung im Unterricht Die Einführung der Elementarteilchen bietet sich ab der 10. Klasse im Rahmen einer Unterrichtsreihe über Teilchenphysik an. Das Material kann zur Einführung der Elementarteilchen oder zur Wiederholung und Festigung eingesetzt werden. Das Thema kann an eine Unterrichtsreihe über Kernphysik oder Radioaktivität angeknüpft werden. Im Anschluss bieten sich Unterrichtsstunden zum Thema Wechselwirkungen oder zum Nachweis von Teilchen mittels Detektoren an. Die anschließende Durchführung eines Teilchenphysik-Projekttages (Masterclass) ermöglicht es den Jugendlichen, ihr Wissen aktiv umzusetzen und einen Einblick in die moderne Teilchenphysik zu erhalten. Mehr Informationen finden Sie unter Vorkenntnisse Atomaufbau, Elektronen, elektrische Ladung, Aufbau von Protonen und Neutronen aus Quarks, Vorsilben (Kilo, Mega, Giga ), Elektronenvolt als Energie- und Masseeinheit. Ziele Die Jugendlichen... lernen die grundlegenden Eigenschaften von Elementarteilchen (Masse, Ladungen etc.) kennen. beschreiben Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Elementarteilchen. erklären Unterschiede zwischen Quarks und Leptonen. beschreiben die Ordnung der Materieteilchen in drei Generationen. vergleichen die Eigenschaften von Materie- und Antimaterieteilchen. lernen die drei Ladungsarten (stark, schwach, elektrisch) kennen. lernen die Austauschteilchen der drei für die Teilchenphysik relevanten Wechselwirkungen kennen. Zeitbedarf Abhängig von der verwendeten Methode benötigen Sie Minuten zur Erklärung und Durchführung. Danach sollte eine Auswertung erfolgen. Einführung in das Standardmodell der Teilchenphysik: Themenheft zur Elementarteilchenphysik: L. Mathelitsch, S. Steurer: Elementarteilchen. ÖBV 2003; ISBN Schulbücher: B. Diehl et al.: Physik Oberstufe. Cornelsen Verlag 2008; ISBN J. Grehn, J. Krause: Metzler Physik. Schroedel Verlag 2007; ISBN Higgs-Boson: Neutrinos: Mehr Links und Literaturtipps finden Sie unter 3

5 METHODISCHE ANREGUNGEN METHODE 1: TEILCHEN SORTIEREN Beschreibung: Jeder Teilnehmer erhält einen Steckbrief. Für diese Methode kann das Higgs-Boson weggelassen werden, da es sich in keine Gruppe einordnen lässt. Der Arbeitsauftrag kann lauten: Findet euch mit anderen Elementarteilchen in sinnvolle Gruppen zusammen. Überlegt dann, welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede die Teilchen haben. Gibt es eine Ordnung innerhalb eurer Gruppe? Hinweise: Jeder Teilnehmer setzt sich mit den Eigenschaften seines Elementarteilchens auseinander und vergleicht diese mit anderen. So finden sich die Jugendlichen weitgehend selbstständig in Gruppen zusammen. Die Lehrkraft sollte nur bei Bedarf eingreifen: Schau dir die Symbole / den Hintergrund an. Suche nach Elementarteilchen, die ähnliche Eigenschaften haben. Auswertung: Die Jugendlichen erläutern, wie und warum sie bestimmte Gruppen gebildet haben. Dabei sollten Gemeinsamkeiten innerhalb der Gruppe und Unterschiede zu anderen Gruppen angesprochen werden, sowie die Ordnung innerhalb der Gruppe. Eine mögliche Reihenfolge wäre: Quarks, Leptonen, Antimaterie, Austauschteilchen. Im folgenden finden Sie Anregungen für die Auswertung. Sie können die Folien im Dokument [Teilchen_Folien] zur Zusammenfassung verwenden. Weiterführende fachliche Informationen finden Sie in der Datei [Teilchen_Infos]. Welchen Namen würdet ihr eurer Gruppe geben? Warum habt ihr eine Gruppe gebildet? Wir sind alle Materieteilchen / Antimaterieteilchen / Quarks / Neutrinos / Austauschteilchen. Wir haben die gleiche Hintergrundfarbe / das gleiche Symbol auf der Karte. Wir haben die gleiche elektrische Ladung. Welche Eigenschaft(en) habt ihr gemeinsam? elektrische Ladung Quarks tragen eine drittelzahlige elektrische Ladung. Up-artige Quarks tragen eine Ladung von + 2 3, während down-artige Quarks eine Ladung von -1 3 tragen. Leptonen tragen eine ganzzahlige elektrische Ladung. Neutrinos sind elektrisch neutral, und die elektrisch geladenen Leptonen sind einfach negativ geladen. Die elektrische Ladung der Antimaterieteilchen ist jeweils umgekehrt. Unter den (Anti-)Materieteilchen sind nur die Neutrinos elektrisch neutral. Drei Austauschteilchen sind elektrisch neutral (Photon, Gluon, Z-Boson), während die W-Bosonen eine elektrische Ladung tragen. Masse Zwei Austauschteilchen besitzen keine Masse (Photon und Gluon), die restlichen sind sehr massereich (W- und Z-Bosonen). Die letzteren Austauschteilchen vermitteln die schwache Wechselwirkung, welche beispielsweise den Betazerfall und die Kernfusion ermöglicht (s. Fragen 12 und 16 in der Datei [Teilchen_Infos]). Neutrinos sind im Vergleich zu anderen Elementarteilchen sehr leicht. Aus experimentellen Daten lassen sichlediglich Grenzen für ihre Masse angeben: Die Masse des Elektron-Neutrinos liegt zwischen 0,003 und 2 ev, diejenige von Myon- und Tau-Neutrinos zwischen 0,03 und 2 ev. Starke und schwache Ladung (s. Fragen 15 und 16 in der Datei [Teilchen_Infos]): Quarks tragen eine von drei starken Ladungen (auch Farbladungen genannt), d.h. sie unterliegen der starken Wechselwirkung. Bei der Kurzversion der Steckbriefe sind die starken Ladungen durch die verschiedenfarbigen Symbole dargestellt; bei der Langversion sind die Farbladungen explizit angegeben. Die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung (Gluonen) tragen acht verschiedene Kombinationen aus Farbladungen. Materie- und Antimaterieteilchen tragen eine halbzahlige schwache Ladung. Austauschteilchen tragen entweder eine ganzzahlige schwache Ladung (W-Bosonen) oder keine (Photonen, Gluonen und Z-Bosonen). 4

6 METHODISCHE ANREGUNGEN Wie unterscheidet ihr euch innerhalb der Gruppe? Wie würdet ihr euch innerhalb der Gruppe sortieren? nach der elektrischen Ladung. nach der Masse: Von jedem der leichtesten Teilchen (Up- und Down-Quark, Elektron) gibt es zwei schwerere Kopien, die sich nur durch ihre Masse voneinander unterscheiden. (s. Frage 7 in der Datei [Teilchen_Infos]). ggf. nach dem Nachweisdatum. Hier könnte auffallen, dass massereichere Teilchen tendenziell später entdeckt wurden. Was unterscheidet euch jeweils von anderen Gruppen? Die elektrische Ladung von Quarks ist drittelzahlig, die von Leptonen ganzzahlig oder neutral. Quarks tragen eine starke Ladung (Farbladung), Leptonen nicht. Materie- und Antimaterieteilchen besitzen jeweils dieselbe Masse, und die entgegengesetzte elektrische Ladung. Wenn Sie die Langversion der Steckbriefe benutzen, fällt auf, dass sich alle Ladungen umkehren (also auch starke und schwache Ladung). Was unterscheidet Quarks und Leptonen voneinander? (s. Fragen 5 und 6 in der Datei [Teilchen_Infos]) Leptonen haben eine ganzzahlige elektrische Ladung, Quarks eine drittelzahlige. Leptonen tragen keine starke Ladung. Jede Quark-Sorte kann eine von drei starken Ladungen annehmen (Quarks unterliegen also der starken Wechselwirkung). Leptonen kommen einzeln vor, Quarks dagegen nicht. Was unterscheidet Materie und Antimaterie voneinander, was haben sie gemeinsam? Ein Antimaterieteilchen trägt die gleiche Masse wie das entsprechende Materieteilchen, jedoch sind sämtliche Ladungen umgekehrt. Was unterscheidet Neutrinos von anderen Materieteilchen? Sie haben eine um mindestens fünf Größenordnungen geringere Masse als das nächstschwerere Elementarteilchen (das Elektron) und tragen nur eine schwache Ladung. Deswegen sind sie experimentell schwierig nachweisbar. Schließlich können die Eigenschaften der Teilchen anhand von passenden Präsentationsfolien zusammengefasst werden, siehe Datei [Teilchen_Folien.pdf]. Sie können auch leere Tabellen an der Tafel andeuten, in welche die Jugendlichen die Teilchen einordnen: Materieteilchen Antimaterieteilchen Austauschteilchen METHODE 2: STANDARDMODELL-PUZZLE Beschreibung: Die Jugendlichen arbeiten in Gruppen. Jede Gruppe erhält einen Satz Steckbriefe. Der Arbeitsauftrag lautet sinngemäß: Ordnet die Elementarteilchen in sinnvollen Gruppen an. Überlegt dann, welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede die Teilchen haben. Gibt es eine Ordnung innerhalb der Gruppen? Der Fokus liegt hierbei mehr auf dem Gesamtüberblick als auf den einzelnen Eigenschaften der Teilchen. Es können konkurrierende Lösungen entstehen und diskutiert werden. Auswertung: siehe Methode 1. 5

7 METHODISCHE ANREGUNGEN METHODE 3: TRITETT-SPIEL Beschreibung: Hierbei handelt es sich um eine Abwandlung vom normalen Quartettspiel. Es eignet sich gut dafür, die Teilcheneigenschaften kennenzulernen und zu festigen. Vor dem Spiel sollte ein Überblick über die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Elementarteilchen gegeben werden, beispielsweise mit Methode 1 oder 2. Sie benötigen für das Spiel einen Kartensatz pro 2-4 Spieler. Regeln: Bei 4 Spielern erhält jeder 6 Karten, bei 3 Spielern 7 Karten, bei 2 Spielern 9 Karten. Ziel ist es, möglichst viele Dreiergruppen (Tritette) abzulegen. Diese Dreiergruppen bestehen jeweils aus drei Teilchen mit dem gleichen Symbol. Die Gruppen sollten vorher mit den Jugendlichen definiert werden: Elektrisch geladene Leptonen (Kreise) Neutrinos (Rauten) Up-artige Quarks (Dreieck mit Spitze nach oben) Down-artige Quarks (Dreieck mit Spitze nach oben) Entsprechende Antiteilchen-Gruppen Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung (W- und Z-Bosonen) Das Photon, die Gluonen und das Higgs-Boson bleiben übrig. Da es keinen physikalischen Grund gibt, sie zu einer Gruppe zusammenzuschließen, sind sie Schwarze Peter. Um die Tritette zu sammeln, fragen die Spieler reihum ihren jeweils rechten Nachbarn nach einer fehlenden Karte. Es dürfen nur Fragen nach den Teilcheneigenschaften gestellt werden, die im unteren Textfeld angegeben sind (Masse, Ladungen, Lebensdauer und Reichweite). Wenn der Gefragte eine passende Karte hat, muss er diese dem Fragenden geben; dieser muss die Karte nehmen, auch wenn er eine andere Karte wollte. Hierin liegt eine reizvolle Schwierigkeit des Spiels. Wenn der Gefragte keine passende Karte hat, zieht der Fragende eine Karte vom Stapel. Wenn zu zweit gespielt wird, darf der Gefragte nicht dieselbe Karte zurückgeben, die er gerade bekommen hat. Wer innerhalb einer bestimmten Zeit die meisten Tritette ablegen kann, hat gewonnen. Hinweise: Als Hilfestellung können Sie während des Spiels eine Übersichtsgrafik austeilen oder an die Wand projizieren (s. [Teilchen_Folien]. Da das Spiel lange dauern kann, sollte vorher eine Zeitbegrenzung (z.b. 15 Minuten) festgelegt werden. METHODE 4: VIER-ECKEN-SPIEL Beschreibung: Dieses kurze Spiel eignet sich als Einführung zu Beginn einer Unterrichtssequenz zur Teilchenphysik, zur Wiederholung oder auch als Überleitung zu verwandten Themen. Jeder Teilnehmer erhält einen Steckbrief. Die Lehrkraft gibt an, nach welchen Kriterien sich die Jugendlichen auf die Ecken des Raumes verteilen sollen, beispielsweise: Materie, Antimaterie, Austauschteilchen Leptonen, Quarks, Austauschteilchen Elektrische Ladung (neutral, +1/-1, drittelzahlige Ladung) Farbladung (trägt Farbe, Antifarbe oder keine Farbe). schwache Ladung (halbzahlig/ganzzahlig). Masse (m = 0; 0 < m < 20 MeV; 20 MeV < m < 1,5 GeV; m > 1,5 GeV) 1./2./3. Generation (wenn diese vorher besprochen wurden) Die Teilnehmer können sich auch in einer Reihe sortieren: nach der Masse der Teilchen nach dem Jahr ihrer Entdeckung. Auswertung: s. Methode 1. Wenn die Jugendlichen sich nach Masse und Entdeckungsjahr der Teilchen sortieren, sollte auffallen, dass massereichere Teilchen tendenziell später entdeckt wurden. Eine Überleitung zur modernen Forschung mit Teilchenbeschleunigern bietet sich an. 6

8 INFO HINTERGRUNDINFORMATIONEN 1. Was sind Elementarteilchen? Als Elementarteilchen bezeichnet man alle Bestandteile des Universums, bei denen man davon ausgeht, dass sie nicht weiter teilbar sind. Dazu gehören die Materie- und Antimaterieteilchen sowie die Austauschteilchen (s. Frage 12). Elementarteilchen besitzen keine räumliche Ausdehnung zumindest keine, die sich mit heutigen Messinstrumenten messen ließe. Alle Elementarteilchen derselben Sorte (z.b. alle Elektronen) besitzen die gleiche Masse und gleiche Ladungen (s. Fragen 14-16). Elementarteilchen folgen den Gesetzen der Quantenmechanik. So kann beispielsweise ihr Ort und Impuls nicht gleichzeitig exakt gemessen oder vorhergesagt werden, sondern nur in Form von Wahrscheinlichkeiten. 2. Was bedeutet die Angabe ev/c²? Das Elektronenvolt (ev) ist eine Einheit der Energie, die in der Teilchenphysik genutzt wird. Ein ev entspricht der Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es sich durch eine Spannung von einem Volt bewegt. 1 ev entspricht 1,6 *10-19 Joule. Einsteins Formel E = mc 2 drückt aus, dass Masse eine Form von Energie ist; man spricht von der Masse-Energie-Äquivalenz. 1 Somit lässt sich die Masse in der Einheit ev/c 2 angeben Wie erforscht man Elementarteilchen? Elementarteilchen sind für unsere Sinne nicht wahrnehmbar, doch hinterlassen sie makroskopische Spuren, die mit speziellen Messgeräten sichtbar gemacht werden können. Solche Spuren wurden zum ersten Mal Ende des 19. Jahrhunderts in Nebelkammern beobachtet. Elektrisch geladene Teilchen ionisieren die Moleküle, an denen sie vorbeifliegen; an den Ionen lagern sich Flüssigkeitströpfchen an, die als Nebelspuren sichtbar werden. Moderne Detektoren wie diejenigen am internationalen Forschungszentrum CERN in Genf basieren zum Teil auch auf Ionisation, machen sich aber auch andere Effekte zunutze. Um massereiche, instabile Teilchen gezielt zu erzeugen und zu untersuchen, sind Teilchenbeschleuniger nötig. Bei Teilchenkollisionen wandelt sich ein Teil der Bewegungsenergie der Teilchen in Masse um (gemäß der Masse-Energie-Äquivalenz E = mc 2 ). Die Technologie, um Teilchen auf immer höhere Energien zu beschleunigen, wurde seit den 1950er Jahren immer weiter entwickelt, was die Erzeugung von immer massereicheren Teilchen ermöglichte. 4. Was ist das Standardmodell der Teilchenphysik? Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen (s. Frage 12). Es sind 12 Materieteilchen bekannt: 6 Quarks und 6 Leptonen, die jeweils in drei Generationen angeordnet sind. Alle bisher bekannte Materie besteht aus diesen Teilchen. Die Wechselwirkungen werden durch Austauschteilchen vermittelt (s. Frage 12). Die allermeisten Voraussagen des Standardmodells wurden seit den 1970er Jahren experimentell bestätigt. Beispielsweise wurde damals die Existenz von massereichen Quarks vorhergesagt; später wurden diese mithilfe von Teilchenbeschleunigern erzeugt und nachgewiesen. Im Jahr 2012 wurde am CERN wahrscheinlich das letzte fehlende Elementarteilchen nachgewiesen das Higgs-Boson (s. Frage 17). Das Standardmodell liefert Erklärungen für viele Vorgänge in der Natur, jedoch gibt es noch viele offene Fragen, beispielsweise: Wie passt die Schwerkraft zum Standardmodell? Aus was besteht die Dunkle Materie, die einen Großteil der Masse des Universums ausmacht? Warum gibt es so viel mehr Materie als Antimaterie? 5. Was sind Quarks? Eine Klasse von Materieteilchen wird als Quarks bezeichnet. Man unterteilt sie in die up-artigen Quarks, die eine elektrische Ladung von +2 3 tragen, und die down-artigen Quarks mit Quarks können drei verschiedene starke Ladungen annehmen (auch Farbladungen genannt). Aus diesem Grund sind drei verschiedenfarbige Symbole auf den Kärtchen abgebildet. Man bezeichnet die starken Ladungen mit rot, blau und grün, und im Falle von Antimaterie mit antirot, antiblau und antigrün (s. Frage 15). Die Antifarben sind auf den Kärtchen als cyan, gelb und magenta dargestellt. Quarks werden durch die starke Wechselwirkung (s. Frage 12) zusammengehalten. Diese ist dafür verantwortlich, dass Quarks in der Natur nicht einzeln vorkommen können. Nur Zusammenschlüsse aus drei Quarks oder aus je einem Quark und Antiquark konnten bisher eindeutig nachgewiesen werden. Der Überbegriff für diese Teilchen lautet Hadronen (altgr.: αδρός hadrós dick, stark ). Die bekanntesten Hadronen sind Protonen und Neutronen (aus 3 Quarks) sowie Pionen (aus einem Quark und einem Antiquark). Alle Hadronen tragen insgesamt eine ganzzahlige elektrische Ladung. 6. Was sind Leptonen? Eine Klasse von Elementarteilchen wird Leptonen (gr.: λεπτός leptós klein, fein ) genannt. Anders als Quarks besitzen Leptonen keine starke Ladung (s. Frage 15); sie kommen also in der Natur einzeln vor. Es gibt elektrisch geladene Leptonen (Elektronen, Myonen und Tauonen) und elektrisch neutrale Leptonen (Neutrinos). 1 In den vorliegenden Materialien steht der Begriff Masse stets für die Ruhemasse eines Teilchens. Die einzige Ausnahme ist die Formel E = mc 2. Hier steht das Kürzel m für die relativistische Masse. 2 In der teilchenphysikalischen Literatur werden Massen und Impulse ebenso wie Energie in ev angegeben. Dafür wird der konstante Faktor c gleich 1 gesetzt. 7

9 INFO HINTERGRUNDINFORMATIONEN Neutrinos besitzen lediglich eine schwache Ladung (s. Frage 16). Da die schwache Wechselwirkung eine extrem kurze Reichweite hat, wechselwirken Neutrinos äußerst selten mit Materie. Das macht es schwierig, sie in Detektoren nachzuweisen. In den Detektoren am CERN beispielsweise werden Neutrinos nur indirekt nachgewiesen, indem man die Gesamtenergie vor und nach einer Teilchenkollision vergleicht; wenn danach Energie fehlt, lässt sich daraus auf die Entstehung von einem oder mehreren Neutrinos schließen. 7. Worin unterscheiden sich die drei Generationen der Materieteilchen? Sämtliche Materie unserer Umgebung besteht aus Up- und Down-Quarks sowie Elektronen. Diese Teilchen und die Elektron-Neutrinos bilden die erste Generation der Materieteilchen. Von jedem dieser Teilchen existieren zwei schwerere Kopien, welche sich nur durch ihre Masse voneinander unterscheiden. So ist beispielsweise das Myon rund 200-mal massereicher als das Elektron, und das Tauon sogar rund 4000-mal schwerer. Die Teilchen der zweiten und dritten Generation sind instabil, d.h. sie wandeln sich innerhalb von Sekundenbruchteilen in leichtere Teilchen um (s. Frage 9). Warum es genau drei Generationen gibt, oder ob es vielleicht eine vierte, sehr viel schwerere Generation von Teilchen gibt, wird derzeit noch erforscht. 8. Was ist Antimaterie? Zu jedem Materieteilchen gibt es ein Antimaterieteilchen mit gleicher Masse, aber entgegengesetzten Ladungen (s. Fragen 14-16). Isolierte Antimaterieteilchen verhalten sich genauso wie Materie. Trifft ein Antiteilchen jedoch auf seinen Materiepartner, entstehen aus der vorhandenen Energie (Masse und Bewegungsenergie) ein oder mehrere Austauschteilchen. Diesen Prozess nennt man Annihilation oder Vernichtung. Meist entsteht dabei elektromagnetische Strahlung in Form von zwei Photonen 3. Der umgekehrte Prozess heißt Paarbildung : Aus Energie in Form von Austauschteilchen entsteht ein Teilchen-Antiteilchen-Paar. Man geht davon aus, dass beim Urknall auf diese Weise Materie und Antimaterie in gleichen Mengen aus Energie entstanden sind. Warum nicht alle Materie wieder annihiliert wurde, so dass wir in einem Universum aus der übrig gebliebenen Materie existieren, ist eine ungelöste Frage aktueller Forschung. 9. Was geschieht, wenn ein Teilchen zerfällt? Stabile Materie besteht nur aus Elementarteilchen der ersten Generation: Elektronen, Up- und Down-Quarks. Elementarteilchen der zweiten und dritten Generation wandeln sich nach kurzer Zeit in leichtere Teilchen um; man sagt, sie zerfallen. Die Zerfallsprodukte sind allerdings keine Bruchstücke des ursprünglichen Teilchens, sondern völlig neue Teilchen. Bei Zerfällen gelten Impuls- und Energieerhaltung sowie weitere Erhaltungssätze. Insbesondere muss die Summe aller Ladungen vor und nach dem Zerfall gleich sein (Ladungserhaltung). 10. Wie bestimmt man die Massen von Quarks? Da Quarks in der Natur nicht einzeln vorkommen, kann man ihre Masse nicht direkt messen. Stattdessen bestimmen Forscher die Masse von Hadronen das sind Teilchen, die aus Quarks bestehen, wie beispielsweise Protonen und schließen daraus auf die Masse der einzelnen Quarks. Die Masse der schwereren Quarks kann genauer bestimmt werden als die der leichteren Was versteht man unter der mittleren Lebensdauer eines Teilchens? Nicht alle Elementarteilchen sind stabil. Up-Quarks und Elektronen und ihre Antiteilchen haben eine prinzipiell unbegrenzte Lebensdauer; auch Photonen und Gluonen könnten unbegrenzt lange existieren, wenn sie niemals mit anderen Teilchen wechselwirken würden. Die (Anti-)Materieteilchen der zweiten und dritten Generation sowie W- und Z-Bosonen zerfallen dagegen schnell in leichtere Teilchen (s. Frage 9). Man kann die Lebensdauer eines individuellen Teilchens nicht exakt vorhersagen, sondern lediglich die Wahrscheinlichkeit angeben, dass es innerhalb eines Zeitintervalls zerfallen wird. Die mittlere Lebensdauer einer Teilchensorte (z.b. Myonen) entspricht der Zeit, nach der die Anzahl dieser Teilchen nur noch den Bruchteil 1/e (etwa 36,8 Prozent) von der ursprünglichen Anzahl beträgt. Das entspricht also nicht der Halbwertszeit, die bei Kernzerfällen verwendet wird. Die Lebensdauer eines Teilchens hängt unter anderem von seiner Masse und der Anzahl der Zerfallsmöglichkeiten ab. Je massereicher ein Teilchen ist und je mehr Zerfallsmöglichkeiten es gibt, desto kürzer ist im Allgemeinen seine Lebensdauer. Die Lebensdauer von Quarks lässt sich nicht direkt messen, da sie nicht einzeln vorkommen. Bei den auf den Steckbriefen angegebenen Lebensdauern handelt es sich um Schätzungen, 3 Je nachdem, welche Teilchen zusammenstoßen, können auch mehrere Gluonen oder ein Z-Boson entstehen. Wenn ein Quark auf ein Antiquark der gleichen Generation und der gleichen schwachen Ladung trifft oder ein Lepton auf ein passendes Antilepton (z.b. ein Elektron auf ein Elektron- Antineutrino oder ein Up-Quark auf ein Down-Antiquark), vernichten sich diese in ein W - - bzw. W + -Boson. 4 Die Masse eines Hadrons ist nicht einfach die Summe der Quarkmassen, sondern auch deren Bindungsenergie trägt einen großen Teil zur Masse bei. Bei aus Up- und Down-Quarks gebildeten Hadronen überwiegt der Anteil der Bindungsenergie, so dass die Massen der einzelnen Quarks nur annäherungsweise mithilfe theoretischer Modelle berechnet werden können. Bei Hadronen, die aus schwereren Quarks bestehen, macht deren Masse einen großen Anteil der Gesamtmasse des Hadrons aus. Dadurch lassen sich die einzelnen Quarkmassen genauer bestimmen. Ein Sonderfall ist das Top-Quark: Es zerfällt so schnell, dass es keine Hadronen bilden kann. In diesem Fall rekonstruiert man die Masse des zerfallenen Top-Quarks aus den Energien seiner Zerfallsprodukte. 8

10 INFO HINTERGRUNDINFORMATIONEN die aus Zerfällen verschiedener Hadronen berechnet wurden. Down-Quarks sind nur dann stabil, wenn sie sich mit zwei Up- Quarks zu einem Proton zusammenschließen. Protonen sind stabil, da es kein leichteres Hadron mit dem gleichen Spin (1 2 ) gibt, in das sie zerfallen könnten. Bei Neutrinos kann man nicht von einer Lebensdauer sprechen. Experimente zeigen, dass sie offenbar nicht wie andere Teilchen zerfallen. Mit der Ausbreitung eines Neutrinos ändert sich vielmehr ständig die Wahrscheinlichkeit, es in einem bestimmten Flavour vorzufinden (Elektron-Neutrino ν e, Myon- Neutrino ν µ oder Tau-Neutrino ν τ ). Diese Besonderheit wird Oszillation genannt. 12. Was sind Austauschteilchen und Wechselwirkungen? Die Wechselwirkungen sorgen dafür, dass sich Elementarteilchen anziehen, abstoßen oder auf andere Weise aufeinander einwirken: Teilchen können entstehen (z.b. bei der Paarbildung), sich gegenseitig vernichten (wenn ein Materie- und ein Antimaterieteilchen zusammentreffen) oder sich ineinander umwandeln (z.b. die Umwandlung eines Down-Quarks in ein Up-Quark beim Betazerfall). Alle Vorgänge in der Natur lassen sich mithilfe von vier Wechselwirkungen (oft auch einfach Kräfte genannt) beschreiben: die elektromagnetische Wechselwirkung, die starke Wechselwirkung, die für den Zusammenhalt der Atomkerne und die Anziehung der Quarks untereinander sorgt, die schwache Wechselwirkung, die radioaktive Zerfallsprozesse (Betazerfall) und die Kernfusion ermöglicht, die Gravitation, die eine gegenseitige Anziehung aller massebehafteten Teilchen bewirkt. Nur die ersten drei Wechselwirkungen spielen in der Teilchenphysik eine Rolle. Die Gravitation wird dagegen am besten von der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben. Es ist noch nicht gelungen, sie in den Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik zu integrieren. Die Wechselwirkungen werden mithilfe von Austauschteilchen vermittelt. Je nach Zusammenhang werden diese manchmal auch als Kraftteilchen, Botenteilchen o.ä. bezeichnet. Alle Austauschteilchen gehören zu den Bosonen (Teilchen mit ganzzahligem Spin). Im Falle einer abstoßenden Kraft kann man sich die Wirkung von Austauschteilchen so wie in Abb. 1 vorstellen. Abb. 1: Die Figuren im Boot entsprechen Elementarteilchen, der Ball einem Austauschteilchen. Das bekannteste Austauschteilchen ist das Photon, welches die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt. Die Gluonen (engl. to glue = kleben) vermitteln die starke Wechselwirkung (s. Frage 15). Die schwache Wechselwirkung (s. Frage 16) wird durch die massereichen Austauschteilchen W +, W - und Z 0 vermittelt, auch W- und Z-Bosonen genannt. Die Existenz eines Austauschteilchens der Gravitation (das Graviton) wird zwar von verschiedenen Theorien vorhergesagt, jedoch wurde es noch nicht experimentell nachgewiesen. Die Gravitation ist rund mal schwächer als die starke Wechselwirkung. Trotzdem hat sie für den menschlichen Alltag eine offensichtliche Bedeutung, da die Erde extrem groß ist und da sie stets eine anziehende Kraft bewirkt, die durch nichts abgeschirmt werden kann (es gibt keine negative Masse). 13. Was bedeutet die Reichweite einer Wechselwirkung und wovon hängt sie ab? In der Langversion der Steckbriefe ist bei den Austauschteilchen die Reichweite der jeweiligen Wechselwirkung angegeben. Diese gibt an, bis zu welcher Entfernung Elementarteilchen wechselwirken können. Die elektromagnetische Wechselwirkung hat eine prinzipiell unbegrenzte Reichweite, da ihre Austauschteilchen (Photonen) keine Ruhemasse besitzen und keine Ladungen tragen; sie wechselwirken also nicht miteinander. Gluonen sind zwar ebenfalls masselos und elektrisch neutral, jedoch tragen sie eine Kombination aus zwei oder mehr Farbladungen, so dass sie miteinander wechselwirken. Deswegen hat die starke Wechselwirkung nur eine Reichweite von rund m, was etwa einem Protonendurchmesser entspricht. 5 5 Die starke Wechselwirkung verhält sich prinzipiell anders als die elektromagnetische Wechselwirkung oder die Gravitation. Es ist mit einem endlichen Energieaufwand möglich, zwei elektrisch geladene Teilchen voneinander zu trennen oder eine Rakete aus dem Gravitationsfeld der Erde zu lösen. Wenn dagegen Quarks voneinander getrennt werden sollen, steigt die nötige Energie mit wachsendem Abstand bis ins Unendliche. Bei Abständen von etwa einem Femtometer (10-15 m) ist die nötige Energie so groß, dass sich daraus neue Quark-Antiquark-Paare bilden können. Diese bilden dann mit den Quarks, die man zu trennen versucht, neue Hadronen. Quarks sind also gewissermaßen im Inneren von Hadronen gefangen; diese Eigenschaft nennt man Confinement. Die Reichweite der starken Wechselwirkung wird aus dem beschriebenen Grund üblicherweise mit am angegeben. 9

11 INFO HINTERGRUNDINFORMATIONEN Die schwache Wechselwirkung wird von W- und Z-Bosonen vermittelt. Deren Masse ist um ein Vielfaches höher als die eines Protons; zu ihrer Erzeugung ist also viel Energie notwendig. An vielen Prozessen (z.b. Betazerfall, Kernfusion) sind W- und Z-Bosonen beteiligt, obwohl hierbei nicht genug Energie zur Verfügung steht, um sie mit ihrer tatsächlichen Masse zu erzeugen. Die Austauschteilchen können dann trotzdem als virtuelle Teilchen entstehen allerdings mit einer kleineren Masse, und nur für sehr kurze Zeit. 6 Die Reichweite der schwachen Wechselwirkung beträgt daher nur etwa m Was sind Ladungen? Eine Ladung ist eine Eigenschaft eines Teilchens, die bestimmt, ob und wie es von den vier Wechselwirkungen beeinflusst wird. Am bekanntesten ist die elektrische Ladung: Ist ein Teilchen positiv oder negativ elektrisch geladen, unterliegt es der elektromagnetischen Wechselwirkung, ansonsten nicht. Analog gibt es für die anderen Wechselwirkungen jeweils eine zugehörige Ladung. Zur schwachen Wechselwirkung gibt es die schwache Ladung, zur starken Wechselwirkung gehört die starke Ladung, auch Farbladung genannt. 15. Was ist eine starke Ladung? Die starke Ladung (oft auch Farbladung genannt) bestimmt, ob ein Teilchen der starken Wechselwirkung unterliegt. Quarks und Antiquarks tragen eine Farbladung, sowie auch die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, die Gluonen. Während jede Teilchensorte nur eine bestimmte elektrische Ladung annehmen kann (im Falle von Elektronen: -1), gibt es Quarks mit drei verschiedenen Farbladungen. Man bezeichnet sie mit rot, blau und grün, und im Falle von Antimaterie mit antirot, antiblau und antigrün (Die Antifarben sind auf den Kärtchen als cyan, gelb und magenta dargestellt.). In der Natur kommen Quarks nicht einzeln vor, sondern nur in farbneutralen oder weißen Kombinationen (s. Abb. 2). Das kann auf zwei Arten geschehen: Entweder schließen sich drei Quarks zusammen (rot + grün + blau = weiß) wie es zum Beispiel bei Protonen und Neutronen geschieht. Diese Teilchen werden unter dem Oberbegriff Baryonen zusammengefasst. Alternativ kann sich ein Quark für kurze Zeit mit einem Antiquark zusammenschließen (Farbe + passende Antifarbe = weiß). Diese Paare nennt man Mesonen. Ein Beispiel dafür sind die Pionen, welche unter anderem entstehen, wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft. Gluonen können acht Kombinationen aus Farbladungen tragen. Daher sind auf den Kärtchen acht Symbole abgebildet. Sechs Gluonen haben jeweils zwei Farbladungen. Ein Quark kann seine Farbladung ändern, indem es ein entsprechendes Gluon aussendet. Weiterhin gibt es zwei Gluonen mit mehreren Farbladungen. Diese vermitteln Wechselwirkungen zwischen Quarks, bei denen sich deren Farbladung nicht ändert (s. Abb. 3). rot + antirot = weiß blau + antiblau = weiß grün + antigrün = weiß Mesonen Kombinationen von Quarks blau + rot + grün = weiß antiblau + antirot + antigrün = weiß Baryonen Abb. 2: Quarks kommen nicht einzeln vor, sondern nur in farbneutralen oder weißen Kombinationen. Entweder schließt sich ein Quark kurzzeitig mit einem Antiquark zusammen (links), oder es können sich drei Quarks oder drei Antiquarks zusammenschließen (rechts). Abb. 3: Ein Quark mit einer Farbe der oberen Reihe kann sich in ein Quark der linken Spalte verwandeln, indem es das entsprechende Gluon aussendet. Wechselwirkungen ohne Farbänderung werden durch zwei Gluonen vermittelt, die Kombinationen der diagonalen Gluonen sind. 6 Das geschieht sehr selten, d.h. die Wahrscheinlichkeit für eine schwache Wechselwirkung ist sehr gering, wenn die Energien der beteiligten Teilchen niedrig sind. Dies ist so ähnlich, als ob man ein schwingungsfähiges System (z.b. eine Feder) fern von dessen Eigenfrequenz zum Schwingen anregt; dann wird das System nur mit einer kleinen Auslenkung (Amplitude) schwingen. Die Eigenfrequenz entspricht der tatsächlichen Masse des W-Bosons und die kleine Amplitude der Seltenheit der Wechselwirkung. 7 Die Reichweite der schwachen Wechselwirkung lässt sich folgendermaßen abschätzen: W- und Z-Bosonen können höchstens eine Zeitspanne Δt lang existieren. Diese ist durch die Energie-Zeit-Unschärferelation gegeben: ΔE Δt ħ/2. ΔE entspricht hier der Masse des W- oder Z-Bosons (80 bzw. 91 GeV). Die Entfernung, welche die Bosonen in der Zeit Δt zurücklegen können, ist etwa R = c Δt (c = Lichtgeschwindigkeit). Wenn man die entsprechenden Werte einsetzt, erhält man eine Reichweite von etwa m. 10

12 INFO HINTERGRUNDINFORMATIONEN 16. Was ist eine schwache Ladung? Die schwache Ladung bestimmt, ob ein Teilchen der schwachen Wechselwirkung unterliegt. Alle Materie- und Antimaterieteilchen tragen eine halbzahlige schwache Ladung. Austauschteilchen tragen eine ganzzahlige schwache Ladung (W-Bosonen) oder keine (Photonen, Gluonen und Z- Bosonen). Die schwache Wechselwirkung ermöglicht die Umwandlung von schweren Leptonen in leichtere Leptonen und von schweren Quarks in leichtere Quarks. Letzteres geschieht beispielsweise bei der Kernfusion in Sternen sowie beim Betazerfall. Neutrinos sind die einzigen Materieteilchen, die außer der schwachen Ladung keine weitere Ladung besitzen. Sie unterliegen also nur der schwachen Wechselwirkung, die eine sehr kurze Reichweite hat (s. Frage 13). Deswegen können sie sich weite Strecken durch Materie bewegen, ohne jemals mit einem anderen Teilchen zu wechselwirken. Daher sind sie in Detektoren sehr schwierig nachzuweisen. 17. Was ist das Higgs-Boson? Schon seit über 40 Jahren suchen Forscher nach diesem Elementarteilchen dem letzten fehlenden Baustein im Standardmodell der Teilchenphysik. Im Juli 2012 wurde am CERN die Existenz eines bisher unbekannten Elementarteilchens nachgewiesen, bei dem es sich wahrscheinlich um das Higgs-Boson handelt. Wenn seine Existenz nachgewiesen wird, ist das ein überzeugender Hinweis für die Richtigkeit des Standardmodells, und dessen Erklärung dafür, wie Elementarteilchen ihre Masse erhalten. Das theoretische Gebäude des Standardmodells funktioniert nur dann, wenn Elementarteilchen keine Masse besitzen. Doch das stimmt offensichtlich nicht: Wenn das so wäre, könnten sich keine festen Strukturen bilden, weil masselose Teilchen stets mit Lichtgeschwindigkeit fliegen. Wie erhalten Teilchen also nachträglich ihre Masse? Eine mögliche Erklärung haben Peter Higgs und andere Physiker 1964 gegeben: Ihre Theorie besagt, dass das ganze Universum von dem sogenannten Higgs-Feld erfüllt ist. Manche Teilchen, wie beispielsweise Photonen, fliegen ungehindert durch dieses Feld und bewegen sich daher mit Lichtgeschwindigkeit; anderen Teilchen setzt das Higgs-Feld Widerstand entgegen, als ob sie sich durch zähen Honig bewegen würden. Somit bewegen sich die Teilchen langsamer sie verhalten sich, als hätten sie Masse. 8 Warum verschiedene Teilchensorten allerdings jeweils eine bestimmte Masse tragen und nicht irgendeine andere, erklärt das Standardmodell nicht. 9 Wir spüren das Higgs-Feld nicht, weil es strukturlos und homogen ist und überall im Universum existiert so ähnlich, wie man Luft nicht bemerkt, wenn es windstill ist. Erst wenn man in der Luft Druckwellen erzeugt, spürt man diese als Geräusch oder Wind. Analog dazu sollte das Higgs-Feld schwingen, wenn energiereiche Teilchen hindurchfliegen. Diese Schwingungen heißen Higgs-Bosonen ; sie sollten sich als Elementarteilchen erzeugen und nachweisen lassen. Der Teilchenbeschleuniger LHC wurde insbesondere zu diesem Zweck gebaut. Das Teilchen, das 2012 am CERN entdeckt wurde, entspricht dem vom Standardmodell vorhergesagten Steckbrief des Higgs-Bosons: Es ist massereich und elektrisch neutral, und die Messergebnisse sind mit einem Spin von 0 verträglich. Doch ist es wirklich das Higgs-Boson oder ein unerwarteter Zwilling? Und gibt es vielleicht nicht nur eine Art von Higgs-Boson, sondern gleich mehrere? Um solche Fragen zu klären, werden Forscher noch einige Jahre brauchen. Es bleibt also spannend! 8 In der Tat waren Teilchen in der ersten Billionstelsekunde nach dem Urknall masselos. Erst dann war das Universum genügend abgekühlt, damit das Higgs-Feld kondensieren konnte. 9 Das Higgs-Feld erklärt lediglich, wie Elementarteilchen ihre Masse erhalten, nicht dagegen größere Objekte. Beispielsweise stammt der größte Teil der Masse von Protonen und Neutronen von der Bindungsenergie zwischen den Quarks. 11