institut für hochenergiephysik. 1a. geschichte der elementarteilchen welche teilchen gibt es? wie...
TRANSCRIPT
Institut für Hochenergiephysik
Institut für Hochenergiephysik1a. Geschichte der Elementarteilchen
• Welche Teilchen gibt es?• Wie wurden sie entdeckt?• Was sind die Bestandteile der Materie?• Was sind kosmische Strahlen?• Was sind seltsame Teilchen?• Was ist der sogenannte “Elementarteilchenzoo”?
Institut für Hochenergiephysik
1897
Das Elektrone-
ThomsonThomson
Eine kurze Geschichte der ElementarteilchenHistorische Einführung
Institut für HochenergiephysikEine kurze Geschichte der Elementarteilchen
1897
Das Photon
1900-1924
PlanckPlanck EinsteinEinstein
ComptonCompton
Historische Einführung
e-
Institut für Hochenergiephysik
1897
Das Proton
e-
1900-1924
1914
RutherfordRutherford
p
Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen
Institut für Hochenergiephysik
1897
Das Neutron
e-
1900-1924
1914
np
1932
ChadwickChadwick
Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen
Institut für Hochenergiephysik
1897
Das Müon
e-
1900-1924
1914
µp
1932
n
1937
• Hess• Anderson, Neddermeyer
• Street, Stevenson
Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen
Institut für Hochenergiephysik
1897
Das Pion
e-
1900-1924
1914
p
1932
n
1937
µ
1947
Historische Einführung
Powell Powell Yukawa Yukawa
Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen
Institut für Hochenergiephysik
1897
Das Positron (Antimaterie)
e-
1900-1924
1914
e+
p
1932
n
1937
µ
1947
Anderson Anderson
Dirac Dirac
Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen
Institut für Hochenergiephysik
1897
Das Neutrino
e-
1900-1924
1914
p
1932
n
1937
µ
1947
e+
Fermi Fermi
Historische Einführung
Pauli Pauli
Eine kurze Geschichte der Elementarteilchen
Institut für Hochenergiephysik
1897
Seltsame Teilchen
e-
1900-1924
1914
KKp
1932
n
1937
µ
1947
e+
Rochester,Butler,...
1947-...
Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen
Institut für Hochenergiephysik
1897
„I have heard it said that the finderof a new elementary particle usedto be rewarded by a Nobel Prize,but such a discovery now ought tobe punished by a $10,000 fine.“
e-
1900-1924
1914
K
p
1932
n
1937
µ
1947
e+
1947-...
Willis Lamb drückte in seinerNobelpreis-Ansprache1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus:
LambLamb
Historische EinführungEine kurze Geschichte der Elementarteilchen
Institut für Hochenergiephysik1b. Das Standardmodell
• Welche Ordnung steckt hinter dem Teilchenzoo?• Was sind die fundamentalen Teilchen?• Welchen Kräften und Wechselwirkungen
unterliegen sie?• Was ist das Besondere an der starken Kraft? • Was sind Mesonen und Baryonen?• Welche Rolle spielt das Higgs-Teilchen?
Institut für Hochenergiephysik
Lebensdauer (s)
n
c
KL
D
Kc
KS
0
B
J1s 2s
3s
4s
D*
c
0
Masse (GeV/c2)
1s
1 ms
1 µs
10-15s
10-20s
10-25s
100000
Das Standardmodell
E=1eV
1 ns
e-
Leptonen (Spin ½, keine Farbladung)
W±, Zo
Kräfteteilchen (Spin 1, Vektor-Bosonen)
p
n
c
0
Baryonen (Spin ½ oder 3/2 )
(enthält) Teilchen 1. Generation (enthält) Teilchen 2. Generation (enthält) Teilchen 3. Generation
Mesonen (Spin 0 oder 1)
KL
D
Kc
KS
0
B
J1s 2s
3s
4s
D*
Der Teilchenzoo
+
-e-
1V
1GeV = 1000000000 eV
Das Elektronenvolt (eV)
2mcΕ
Institut für Hochenergiephysik
Materieteilchen = Fermionen (Spin ½)
Ladung
0
-1
+2/3
-1/3
d
uu
du
d
Leptonen Quarks
Das Standardmodell
+1 0 Proton Neutron
Baryonen
Wechselwirkungen
stark
schwach
Schwerkraft?
Schwache KraftW, Z
Elektromagn. Kraft
Starke Kraftg
Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)
e
e
u c t
d s b
Das moderne Bild – das „Standardmodell“
Institut für Hochenergiephysik
d
u
s
c
b
t
e
e
Anti-Teilchen
Wechselwirkungenstark
schwach
e
Ladung
0
+1
-2/3
+1/3
Schwerkraft?
Schwache KraftW, Z
Elektromagn. Kraft
Starke Kraftge
d
u
s
c
b
t
Leptonen Quarks
Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)
Das Standardmodell Das moderne Bild – das „Standardmodell
Institut für Hochenergiephysik
Die schwache Kraft
Das Standardmodell
Kurze Reichweite, wirkt auf alle Materieteilchen3 Kräfteteilchen: W+, W-, ZEinzige Wechselwirkung, die eine Umwandlung der Quarkart erlaubt (Beispielprozess: Umwandlung von d- in u-Quark beim Beta-Zerfall):
Die schwache WW
Uni Wuppertal
Institut für HochenergiephysikDas Standardmodell
Die starke Kraft
Farbe Antifarbe
ROT TÜRKIS
BLAU GELB
GRÜN PINK
stärkste Kraft, allerdings Auswirkungen nur auf sehr kleinen Distanzen
Farbladung
Quarks haben neben der elektrischen Ladung auch noch eine „Farbladung“ 1) . Die zugehörigen Kräfteteilchen werden Gluonen genannt. Sie sind für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich.
1) der Begriff Farbe ist nicht wörtlich zu nehmen; er dient nur der Anschauung
Die Farbladung
Institut für Hochenergiephysik
Quarks können nicht einzeln beobachtet werden (Quark-Confinement). Sie treten immer nur in Bindungszuständen auf:
Es gibt zwei Möglichkeiten Teilchen zu bilden:
• 3 Quarks mit jeweils verschiedenen Farben: Baryonen
• 2 Quarks mit jeweils einer Farbe und einer Antifarbe: Mesonen
Das Standardmodell
Baryonen
q
qq q
q
d
u
Mesonen
q
q
Die Farbladung
Institut für Hochenergiephysik
++
u
uu
u
d
d
us
c
d
D
s
u
b
b
d
uu
du
d
Proton Neutron
Mesonen
Baryonen
...
...
Atomkern
He-Kern(-Teilchen)
Atom
Materie
Das Standardmodell Bindungszustände
Institut für Hochenergiephysik
Das sieht ja alles ziemlich gut aus, aber …
Das Standardmodell
Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson. Es wurde allerdings noch nicht gefunden. Dennoch wurde das Standardmodell in vielen Präzisionsmessungen hervorragend bestätigt.
Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik.
Das Higgs-Boson
Institut für Hochenergiephysik
ee
µµZerfall
ee
26 ns
2200 ns
Streuprozesse-
e+e+
KKp
p
e-
e+e+
Das Standardmodell
KK
Zerfälle & Streuprozesse