Standardmodell der Teilchenphysik

Standardmodell der Teilchenphysik Eine Übersicht Bjoern Walk bwalk@students.uni-mainz.de 30. Oktober 2006 / Seminar des fortgeschrittenen Praktikums

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

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

Lego-Prinzip

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

Bausteine der Atome Elektron Thomson (1897) negativer Ladungsträger m e = 511keV/c 2 Proton notwendiger positiver Ladungsträger, da Atome neutral sind m p = 938.27MeV/c 2 2000 m e

Bausteine der Atome Elektron Thomson (1897) negativer Ladungsträger m e = 511keV/c 2 Proton notwendiger positiver Ladungsträger, da Atome neutral sind m p = 938.27MeV/c 2 2000 m e Neutron Isotopie Baustein ohne Ladung m n m p

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

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

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

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

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

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

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

Teilchenfamilien

Phänomenologie der Wechselwirkung

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

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

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

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

Schwache Wechselwirkung Eigenschaften wirkt auf Leptonen und Quarks Austauschbosonen (W ±, Z 0 ) massebehaftet, ohne eigene Ladung extrem kurze Reichweite ( 10 15 cm) kleine Wirkungsquerschnitte lange Prozessdauer Kopplungskonstante G = 1.02 10 5 /m 2 p

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

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

Starke Wechselwirkung Eigenschaften Ladung: Farbe (rot, grün, blau) und jeweilige Antifarbe Austauschteilchen (8 Gluonen) masselos, tragen selbst Farbladung Reichweite ( 10 13 cm) Kopplungskonstante α s stark energieabhängig

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

Übersicht

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

Quellenangaben http://pdg.lbl.gov/, The Particle Data Group K. Bethge, U.E. Schröder, Elementarteilchen und ihre Wechselwirkung Povh, Rith, Scholz, Zetsche, Teilchen und Kerne http://wikipedia.org, Die freie Enzyklopädie http://wswww.physik.unimainz.de/lehramt/lehrsystem/inhalt.html, Lehr- und Lernsystem zur Teilchenphysik http://teilchenphysik.org, Teilchenphysik Deutschland http://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory.html, SLAC Virtual Visitor Center