Bausteine der Materie

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1 Bausteine der Materie Die wundersame Welt der Elementarteilchen B. Krusche, Department für Physik, U. Basel? 2 Collaboration

2 Eine uralte Frage:.. Was halt sie zusammen? Woraus ist die Welt gemacht? Erster Versuch einer Antwort Empedokles 494 v. Chr.: Die vier Elemente Feuer Luft Wasser Erde A. Rodin 1880 Der Denker

3 Das Konzept von Elementarteilchen Nicht weiter teilbar Keine innere Struktur Keine räumliche Ausdehnung (punktförmig) Zu jedem Teilchen existiert ein Anti-Teilchen Beispiel: Elektron e - - Positron e + Masse: m e - = kg = MeV/c 2 = m e + Ladung: -1e (e = Coulomb) +1e Radius: < m

4 Teilchen und Spin: Bosonen und Fermionen Innerer Freiheitsgrad von Teilchen: Spin Ähnlich Eigenrotation Aber Werte gequantelt: 1/2 h, 1 h, 3/2 h, 2 h,... ( h= J s) Spin 1/2-Teilchen: Spin auf oder ab Spin 1-Teilchen: drei Spinstellungen Spin beeinflusst wesentlich das Verhalten der Teilchen: halbzahliger Spin: 1/2,3/2,... ganzzahliger Spin: 0,1,2... Fermionen: Elektron, Proton, Neutron... Bosonen Photon, Pion,... Pauli-Verbot kein Pauli-Verbot

5 Wie untersucht man Struktur der Materie? Streuexperimente! Modell des Atoms um 1900 nach Thomson: gleichmässig verteilte positive Ladung, in der sich negativ geladene Elektronen bewegen ( Rosinenkuchenmodell ). Test durch Streuung von α-teilchen (=Heliumkernen) an Goldatomen (E. Rutherford 1911) Streuung im Thomson-Modell: erhaltenes Resultat registrierte Treffer Alpha- Teilchen Goldatome erwartetes Resultat erwartete Flug- Richtung erwartete Spuren vermutete Spuren Streuung im Rutherford-Modell: Goldatome mit Kernen Atome: negativ geladenen Hülle (Elektronen), Radius ca m, positiv geladener Kern, Radius ca m, ca % der Atommasse

6 Atom - Kern - Nukleon -...? Atom Atomkern Nukleonen Grösse ca m Kern und Elektronen Massendefekt: ca Grösse ca m Protonen und Neutronen Massendefekt: ca Grösse ca m Innere Struktur? Massendefekt: Summe der Massen der Einzelteilchen i.a. nicht gleich Masse des zusammengesetzten Teilchens: E = mc 2

7 Elementare Wechselwirkungen: - Teilchen 1: Teilchen 2: Masse m 1 Masse m 2 Ladung Q 1 Ladung Q 2 Abstand r Gravitation - Elektrostatik F g = G m 1 m 2 r 2 F el = 4πǫ 1 o Q 1 Q 2 r 2 ց ւ Kraft F 1/r 2 Abstand r

8 Gravitation und Elektromagnetische WW für Kerne Verhältnis der Gravitations- und elektrostatischen Kraft für zwei Protonen: F el F g = 1 4πǫ o G Q 1 Q 2 m 1 m 2 = !!! p p Gravitation ist in der sub-atomaren Physik völlig vernachlässigbar! Wieso explodieren Kerne nicht durch elektrostatische Abstossung? Neue Kraft erforderlich: Kernkraft = Starke Wechselwirkung!

9 Elementare WW als Austauschwechselwirkung Analogon: Ballspieler auf Eis Beispiel: elektromagnetische WW e - e - γ e - Wechselwirkung (Streuung) zweier Elektronen e - virtuelle Austauschteilchen: Photonen (=Quanten des elm. Feldes) Heisenberg s Unschärferelation: E t h R hc E Reichweite R hängt von Energie (Masse) der Austauschteilchen ab!

10 Nukleon - Nukleon-Wechselwirkung: Das Pion - NN-Streuung: Entdeckung des Pions stark attraktive Kraft bei Abständen von ca. 1 fm = m, klein bei grösseren Abständen Idee H. Yukawa (Nobelpreis 1949): Austauschteilchen mit Masse, R hc E R hc m X R 1fm m X 200MeV/c 2 e + µ + n,p n,p π + X m x 200 MeV/c 2 Drei Pionen: π, π o, π + Masse: MeV/c 2 n,p n,p Zerfall: π + µ + + ν µ µ: Myon = schweres Elektron ν: Neutrino

11 Kosmische Höhenstrahlung - ein beliebtes Werkzeug Energiespektrum ev CERN LHC: 2 7 TeV Protonen

12 50 und 60 Jahre: Beschleuniger, Detektoren... - der erste Blick in die Büchse der Pandora Hunderte Elementarteilchen?!? Sehr Seltsam!!!

13 Neue Ordnung im Teilchenzoo : Quarks - Systematik der Teilcheneigenschaften (M. Gellman, Nobelpreis 1969) und genaue Untersuchung des Protons durch Elektronenstreuung (J.I. Friedmann, H.W. Kendall, R.E. Taylor, Nobelpreis 1990) legen nahe: Alle Hadronen (=Teilchen mit starker WW) sind aus Quarks aufgebaut Quarks haben halbzahligen Spin und drittelzahlige elektrische Ladung Beispiele für Quarkbild von Hadronen: zunächst 3 Quarks: up (Ladung +2/3) down (Ladung -1/3) strange (Ladung -1/3) Proton (p) Neutron (n) Lambda (Λ) Pion (π + ) Pion (π o ) Kaon (K o )

14 Farbige Quarks Quarks tragen die Ladung der starken Wechselwirkung Es gibt drei Ladungen (L1, L2, L3) und drei Anti-Ladungen ( L1, L2, L3) Eigenschaften der Ladungen : L1+ L1 = L2+ L2 = L3+ L3 = neutral; L1+L2+L3 = L1 + L2 + L3 = neutral Wie Farbenlehre: Farbe+Komplementärfarbe = Weiss Blau + Rot + Grün = Weiss Man nennt daher die drei Ladungen rot, blau, grün Regel (wichtige Eigenschaft der starken Wechselwirkung): nur weisse Objekte können als freie Teilchen existieren

15 Quarks, Hadronen, Gluonen... Erlaubte Kombinationen aus Quarks: (qqq) = Baryonen, ( q q q) = Anti-Baryonen (Fermionen); (q q) = Mesonen (Bosonen) Proton Anti-Proton Pion Quark-Quark-Wechselwirkung, Austauschteilchen: Gluonen 8 Gluonen: masselose Spin-1 Bosonen Farbladung + Anti-Ladung auch Gluon-Gluon-WW möglich grosse Komplexität der starken WW, Confinement

16 Elektromagnetische und starke Wechselwirkung elm. WW zwischen Ladungen starke WW zwischen Quarks Selbst -Wechselwirkung der Gluonen Kraft F elm. WW Kraft F const 1/r 2 starke WW zwischen Quarks Abstand r Abstand r

17 Hadronisierung von Quarks Typische Reaktion zur Erzeugung von Teilchen mit schweren Quarks: e + + e γ q q Mesonen γ anti-charm down D charm anti-down D + Resultate von OPAL am CERN LEP-Ring: 2-Jet-Events e + + e q q 2Jets 3-Jet-Events e + + e q qg 3Jets

18 Elementarteilchen

19 Starke Wechselwirkung und Hadronenmassen Zusammenhang zwischen Masse der Quarks und Massen der Hadronen? π + = ρ + = p= + = Masse[MeV/c 2 ]: Masse/Quark: Genaueste Werte für Quark-Massen: m u MeV/c 2 m d MeV/c % der Protonmasse auf Quarkmassen zurückführbar!!! Nukleonstruktur (kompliziert): Masse der nackten Quarks kinetische Energie der Quarks virtuelle Gluonen virtuelle Quark - Antiquark Paare ( Seequarks )

20 Durchbruch bei der Berechnung der starken WW: Numerische Berechnung der Hadronenmassen aus Theorie der starken WW: mehrere Wochen Rechenzeit Superrechner JUGENE (Forschungszentrum Jülich): S. Dürr et al., Science 322 (2008) 1224

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22 Das PANDA-Projekt an der GSI (Darmstadt, Deutschland) Proton - Antiproton Kollisionen GeV Detaillierte Erforschung des Hadron Spektrums z.b. Spektroskopie von c c-zuständen Suche nach exotischen Hadronen: zur Zeit: ca. 400 Physiker von 52 Instituten aus 17 Ländern

23 Der PANDA-Detektor

24 Massen der Elementarteilchen - Der Higgs-Mechanismus Elementarteilchen haben teils enorm unterschiedliche Massen z.b.: u-quark 2 MeV/c 2, t-quark: MeV/c 2 Problem: Theorie der Elementarteilchen sieht keine expliziten Massen vor! Vorschlag (P. Higgs 1964) : Vakuum ist mit einem Feld erfüllt Higgs-Feld Teilchen durch Feld gebremst als ob sie sich in einem Sirup bewegen Sieht aus als ob sie Masse hätten! Zu Feld gehört ein Teilchen: Higgs-Boson ungeladenes Spin-0 Teilchen, bisher nicht entdeckt, Masse grösser 100 GeV/c 2

25 Suche nach dem Higgs insbesondere am CERN LHC CMS = Compact Muon Solenoid Detector

26 Die Schwache Wechselwirkung - ein grosses Gebiet für sich... - Verantwortlich für β-radioaktivität von Kernen z.b.: 42 K 42 Ca + e - + ν e n p + e - + ν e drei Austauschteilchen: W +, W -, Z o (haben grosse Massen: m W =80 GeV, m Z = 91 GeV) Existenz vorhergesagt: S. Weinberg, S. Glashow, A. Salam (Nobelpreis 1979) Experimenteller Nachweis: CERN, C. Rubbia, S. van der Meer (Nobelpreis 1984) Besonderheit: einzige Wechselwirkung, die Elementarteilchen Sorte ändert z.b.: d u + e - + ν e µ - ν µ + e - + ν e

27 Heutige Sicht von Materie, Elementarteilchen, Kräften...

28 Dunkle Materie, Dunkle Energie: Neue Rätsel... Rotation von Galaxien, keine Übereinstimmung mit Massenverteilung Nicht-baryonische, Dunkle Materie Rotation [km/s] Kepler Gesetze Beschleunigte Expansion des Universums Radius vom galaktischen Zentrum [kpc] Totale Energiedichte des Universums 4 % Baryonische Materie 23 % Dunkle Materie Dunkle Energie 73 % Dunkle Energie