Einheit 13 Subatomare Physik 2

Transkript

1 Einheit 13 Subatomare Physik Markus Schweinberger Sebastian Miksch Markus Rockenbauer

2 Subatomare Physik 2 Fundamentale Wechselwirkungen Das Standardmodell Elementarteilchen Erhaltungssätze Das Quarkmodell Austauschteilchen

3 Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt die bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen. Quantenfeldtheorie die den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie gehorcht. Durch teilchenphysikalische Experimente gut bestätigt. Kann aber einige Beobachtungen nicht erklären!

4 Wechselwirkungen und Elementarteilchen des Standardmodells Starke Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Fermionen (Spin ½) Vektorbosonen (Spin 1)

5 Starke Wechselwirkung

6 Leptonen Leptonen (Spin ½) Masse [GeV/c 2 ] Elektron-Neutrino ν e Elektron e Myon-Neutrino ν μ Myon μ Tauon-Neutrino ν τ Tauon τ <1*10-8 5,11*10-4 <2*10-4 0,106 <0,02 1,7771 Elektrische Ladung Lebensdauer Stabil Stabil Stabil(?) 2,197*10-6 s Stabil(?) 2,9*10-13 s

7 Masse E = mc 2 [E]=[eV] => ev = mc 2 => m = ev c 2

8 Erhaltungssätze Energieerhaltung Impulserhaltung Drehimpulserhaltung Ladungserhaltung Erhaltung der Baryonen- und Leptonenzahl

9 Leptonenzahlen L e L μ L τ e ν e e ν e μ ν μ μ ν μ τ ν τ τ ν τ 0 0-1

10 β-zerfall n p + + e + νe

11 Fundamentalteilchen

12 Das Quarkmodell

13 Quarks 1. Generation Up-Quark Down-Quark Die gesamte normale Materie besteht nur aus Quarks der 1. Generation.

14 Quarks 2. Generation Strange-Quark Charm-Quark Strange-Quark wurde von Gell-Mann anfangs nur eingeführt, weil bestimmte Baryonen nicht mit Up- und Down-Quarks erklärt werden konnten.

15 Quarks 3. Generation Bottom-Quark Top/Truth-Quark Erste Teilchen, welche ein Bottom-Quark enthielten wurden bereits 1977 entdeckt. Sein Partner, das Top-Quark, wurde allerdings erst 1995 nachgewiesen.

16 Eigenschaften der Quarks Zu jedem Quark existiert ein Antiquark Quarks unterliegen allen Grundkräften der Physik Alle Quarks, außer dem Up- und Down-Quark, bilden nur subatomare Materie mit sehr geringer Lebensdauer

17 Eigenschaften der Quarks Die elektrische Ladung der Quarks ist entweder 1/3 oder +2/3 der Elementarladung Es existieren keine sich frei bewegende Quarks Drei Farbladungen

18 Eigenschaften der Quarks

19 Farbladungen Drei Farbladungen: rot, grün, blau Nur farblose/weiße Zustände können isoliert existieren Quarkkombinationen für stabile Nukleonen notwendig

20 Eichbosonen 1 Photon 8 Gluonen jeweils 1 W + -, W - -, Z 0 -Boson (1 Higgs-Boson) (1 Graviton)

21 Photon Überträgt elektromagnetische Wechselwirkung Wechselwirkt zwischen Quarks und Leptonen (ohne Neutrinos) Masselos

22 Gluonen 8 verschiedene Gluonen (engl. glue = kleben) Verantwortlich für die starke Wechselwirkung Wechselwirken nur zwischen den Quarks Werden als masselos angenommen (innerhalb des Standardmodells)

23 W + -, W - -, Z 0 -Boson Jeweils 1 W + -, W - -, Z 0 -Boson Überträgt die schwache Wechselwirkung Wechselwirkt zwischen Quarks und Leptonen Haben recht große Massen Sehr geringe Lebensdauern (W + -, W Bosonen)

24 Graviton 1 Graviton Überträger der Gravitation Wechselwirkt zwischen Quarks, Leptonen und hypothetisch dunkler Materie Theoretisch unendliche Lebensdauer Theoretisch masselos Rein hypothetisches Eichboson (nicht im Standardmodell)

25 Higgs-Boson Einziges Teilchen, welches im Standardmodell noch nicht experimentell nachgewiesen wurde Higgs-Boson könnte Aufschluss geben, warum W + -, W - -, Z 0 -Boson über Masse verfügen Higgs-Boson konnte bis heute noch nicht nachgewiesen werden Teil der aktuellen Teilchenforschung

26 Themen aus aktueller Forschung So kleine Teilchen sind extrem schwer zu detektieren. Zerfallen schnell, wechselwirken fast nicht Beispiele: Neutrino Detektor (Super Kamiokande) Teilchen Detektor ATLAS am Cern

27 Neutrino Detektor (Super Kamiokande)

28 ATLAS Detektor am CERN

29 Zusammenfassung Das Standardmodell der Teilchenphysik Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen Starke, schwache und elektromagnetische WW Fermionen, Vektorbosonen Quarks existieren immer als Teilchen und Antiteilchen, es gibt keine freien Quarks Physikalische Grundkräfte gelten auch für die kleinsten Teilchen

30 Zukunft Vorschau - Teaser Die aktuelle Forschung versucht das Standardmodell zu verbessern (bzw. ersetzen) Existiert das Higgs-Boson? Wie kann man die Gravitation einbinden? GUT (große vereinheitlichte Theorie) Schleifenquantengravitation?

31 Video auf: of-w