Standardmodell der Teilchenphysik

Transkript

1 Standardmodell der Teilchenphysik Eine Übersicht Bjoern Walk 30. Oktober 2006 / Seminar des fortgeschrittenen Praktikums

2 Gliederung Grundlagen Teilchen Früh entdeckte Teilchen Spektrum der Elementarteilchen Bausteine der Bausteine Kräfte Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Zusammenfassung

3 Gliederung Grundlagen Teilchen Früh entdeckte Teilchen Spektrum der Elementarteilchen Bausteine der Bausteine Kräfte Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Zusammenfassung

4 Klärung einiger wichtiger Begriffe Wirkungsquerschnitt als Wert für die Häufigkeit eines Prozesses R = σ j n s Zerfallsbreite und Lebensdauer Γ = τ

5 Gliederung Grundlagen Teilchen Früh entdeckte Teilchen Spektrum der Elementarteilchen Bausteine der Bausteine Kräfte Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Zusammenfassung

6 Lego-Prinzip

7 Bausteine der Atome Elektron Thomson (1897) negativer Ladungsträger m e = 511keV/c 2

8 Bausteine der Atome Elektron Thomson (1897) negativer Ladungsträger m e = 511keV/c 2 Proton notwendiger positiver Ladungsträger, da Atome neutral sind m p = MeV/c m e

9 Bausteine der Atome Elektron Thomson (1897) negativer Ladungsträger m e = 511keV/c 2 Proton notwendiger positiver Ladungsträger, da Atome neutral sind m p = MeV/c m e Neutron Isotopie Baustein ohne Ladung m n m p

10 Positron Identifikation als Antiteilchen zum Elektron Bestätigung der Dirac-Theorie Abbildung: Anderson, 1933

11 Teilchenzoo Energie-Masse-Beziehung ermöglicht die Erzeugung einer Vielzahl von Teilchen

12 Klassifikation der Teilchen Systematik ähnlich dem Periodensystem nach Masse naheliegend später nach Substruktur und unterliegender Wechselwirkung

13 Quarks Materie-Bausteine theoretisch postuliert durch tief-inelastische Elektronstreuung am Nukleon bestätigt unterscheidbares Antiteilchen

14 Leptonen, leichte Teilchen punktförmig unterscheidbares Antiteilchen ν e ν e treten jeweils paarweise auf Erhaltungsgrösse (Leptonenzahl)

15 Mesonen, mittelschwere Teilchen bestimmte Mesonen (z.b. Kaonen) nur paarweise beobachtet Strangeness,... η, ρ + sehr kurzlebig Mesonen zerfallen meist in leichtere Mesonen π + zerfällt in Leptonen

16 Baryonen, schwere Teilchen Proton und Neutron als verschiedene Zustände des Nukleons mit Ausnahme des Protons durchweg instabil

17 Teilchenfamilien

18 Gliederung Grundlagen Teilchen Früh entdeckte Teilchen Spektrum der Elementarteilchen Bausteine der Bausteine Kräfte Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Zusammenfassung

19 Phänomenologie der Wechselwirkung

20 Feynman-Diagramme Visualisierung von quantenmechanischen Prozessen reale Teilchen erfüllen E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 innerhalb des Diagramms können virtuelle Teilche erzeugt werden Diagramme werden aus Störungstheorie entwickelt

21 Elektromagnetische Wechselwirkung Beschreibung Phänomene lange bekannt Vereinigung von Elektrizität und Magnetismus (Maxwell) Elektrodynamik als wichtigstes Beispiel einer relativistischen Feldtheorie mikroskopischer Bereich: QED

22 Elektromagnetische Wechselwirkung Eigenschaften wirkt auf alle elektrisch geladene Teilchen Austauschboson γ masselos, ohne eigene Ladung Unschärferelation unendliche Reichweite Kopplungskonstante α 1/137

23 Schwache Wechselwirkung Beschreibung β-zerfall als erstes Phänomen (Bequerel 1896), erklärt als Umwandlung von Kernen (Rutherford) keine klassische Entsprechung n p + e + ν e nach Vorbild der Elektrodynamik: feldtheoretische Beschreibung möglich

24 Schwache Wechselwirkung Eigenschaften wirkt auf Leptonen und Quarks Austauschbosonen (W ±, Z 0 ) massebehaftet, ohne eigene Ladung extrem kurze Reichweite ( cm) kleine Wirkungsquerschnitte lange Prozessdauer Kopplungskonstante G = /m 2 p

25 β-zerfall Drehimpulserhalt Dreikörperprozess Pauli postuliert ν e (1930) Feynman-Graph kann reduziert werden d u + e + ν e schwache Wechselwirkung kann Quarkflavour ändern

26 Starke Wechselwirkung Beschreibung Kern aus geladenen Protonen Stabilität erfordert weitere Kraft auf Basis der Kerne Austausch von π-mesonen (Yukawa) fundamentaler: Wechselwirkung zwischen Quarks

27 Starke Wechselwirkung Eigenschaften Ladung: Farbe (rot, grün, blau) und jeweilige Antifarbe Austauschteilchen (8 Gluonen) masselos, tragen selbst Farbladung Reichweite ( cm) Kopplungskonstante α s stark energieabhängig

28 Bemerkungen zur Farbe Quarks sind in der Natur nicht frei beobachtet benötigte Energie zur Trennung zweier Quarks erzeugt Quark-Antiquark-Paar freie Teilchen müssen farbneutral sein

29 Gliederung Grundlagen Teilchen Früh entdeckte Teilchen Spektrum der Elementarteilchen Bausteine der Bausteine Kräfte Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Zusammenfassung

30 Übersicht

31 Offene Fragen Nur drei Teilchenfamilien? Erklärung der Massen durch Higgs-Mechanismus? Vier Wechselwirkungen? Vereinheitlichung? Substruktur der elementaren Teilchen? Gravitation?

32 Quellenangaben The Particle Data Group K. Bethge, U.E. Schröder, Elementarteilchen und ihre Wechselwirkung Povh, Rith, Scholz, Zetsche, Teilchen und Kerne Die freie Enzyklopädie Lehr- und Lernsystem zur Teilchenphysik Teilchenphysik Deutschland SLAC Virtual Visitor Center