Das Standardmodell der Teilchenphysik

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Michael Hammer: Das Standardmodell

Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen WS 2004/2005

Das Standardmodell der Teilchenphysik

29.10.2004

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Teilchenzoo? Ja!!!

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Was ist das Standardmodell?

-Beschreibt Teilchen und ihre Wechselwirkungen -Fasst experimentelle Daten zusammen

-Macht Vorhersagen über noch unbekannte Teilchen -Bleibt aber nur ein Modell

-Stimmt heute schon nicht mehr in allen Details

-Felder werden beschrieben durch Austausch von

„virtuellen Teilchen“ (Bsp: E-Felder durch Austausch von Photonen)

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Inhaltsübersicht:

-Vorstoß ins Unbekannte

-Welche Elementarteilchen gibt es?

-Erhaltungssätze und Symmetrien

-Wie funktionieren die Wechselwirkungen?

-Bsp: Experiment am CERN -Grenzen des Standardmodells -Zusammenfassung

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Vorstoß ins Unbekannte

Wie tief kennen wir die Substruktur der Materie?

??m 10^

???

1m

10^ 10^⁹m ¹⁰^⁹^m

10m 10^

14m 10^

??m 10^

Elementarteilchen:

Teilchen ohne Substruktur

(kann aber trotzdem in andere zerfallen)

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Elementarteilchen: Fermionen

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Austauschteilchen: Bosonen

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Klassifizierung von Teilchen:

Halbzahliger Spin:

Fermionen

(ein Teilchen im Zustand A)

Ganzzahliger Spin:

Bosonen

(viele Teilchen im Zustand A) Alle Elementarteilchen Alle Wechselwirkungs-

teilchen Hardronen Quarks und

Baryonen (q,q,q)

Mesonen (q,anti-q) Alle Leptonen

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Symmetrien und Erhaltungssätze

Symmetrie Erhaltungsgröße

Zeitumkehr Energie

Parität (Raumsp.) Impuls

C-Parität Ladung

Isotropie Drehimpuls

Noether-Theorem: Zu jeder Symmetrie

eine Erhaltungsgröße Farbladung

Baryonenzahl Leptonenzahl

) , ( )

,

(r t  r t

   

) , (

) ,

(r t r t

P    

en Antiteilch Teilchen

C 

) ( 

 eⁱ  eⁱ ^ I

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Symmetrien und Erhaltungssätze

Bei einigen WW-Prozessen können Symmetrien bzgl.

- Parität (Raumspiegelung)

- C-Parität (Teilchen und Antiteilchen versch. Verha.) - Zeitumkehr

- Isospin

- Strangeness, Charmness, ...

- Quarkzahl - Mesonenzahl verletzt sein.

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Wechselwirkungsprozesse

• Energieerhaltung

• Impulserhaltung

•

• Leptonzahlerhaltung

• Baryonzahlerhaltung

mc

2

E 

²

 





t E

Bei allen Wechselwirkungen gilt insbesondere:

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Wechselwirkungen koppeln an Ladungen:

- Elektrische WW: elektrische Ladung - Schwache WW: schwache Ladung - Starke WW: Farbladung

- Gravitative WW: schwere Masse

- Verschiedene Kopplungskonstanten, Reichweiten, Wirkungsquerschnitte

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Feynman-Diagramme

• Versuchen, die WW graphisch darzustellen

• Nur Symbolisch zu verstehen

• Zeigt keine Teilchenflugbahnen

• Zeitachse zeigt nach rechts

• Pfeil in Zeitrichtung: Teilchen

• Pfeil in Gegenrichtung: Antiteilchen

• Pfeil senkrecht: Virtuelles Teilchen

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Elektromagnetische Wechselwirkung Quantenelektrodynamik

- E-Felder wirken durch Teilchenaustausch - Austauschteilchen Photon oder Gamma - Masselos, unendliche Reichweite

- Koppelt an elektrische Ladung

- Photoeffekt, Rutherfordstreuung, Comptoneffekt,



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Elektromagnetische Wechselwirkung Paarerzeugung

„Schleifen“

e

e



 

e

e

Elektronenstreuung

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Schwache Wechselwirkung A: von Leptonen

- Austauschteilen -Bosonen

- Große Masse (80/90 GeV), Kurze Reichweite - Koppelt an schwache Ladung

- Austauschteilchen selbst schwach und elektrisch geladen: Interaktion der Bosonen

, 0

,W Z

W ^ ^

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Das Boson borgt sich die Energie, die es zu seiner Erzeugung braucht, muss sie aber zurückzahlen, bevor ihr Fehlen erkennbar wird.

keV

e^ :511 W ^ :80GeV

s E t

t  2    410^²⁷

 

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Zerfall eines Myons über schwache WW.

Elektron-Neutrino-

Steuung über schwache WW

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Schwache Wechselwirkung B: von Hardronen

-

Auch Quarks tragen schwache Ladung, koppeln daher an schwacher WW.

-Quarks können sich dabei in leichtere Quarks umwandeln

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Quark-Antiquark-Reaktion über schwache WW

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Beta-Zerfall über schwache WW

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Elektro-Schwache Vereinigung

-W-Bosonen tragen elektrische Ladung -daher koppeln Photonen an W-Bosonen

-elektrische und schwache WW können nicht mehr strikt getrennt werden

-man spricht daher von elektroschwacher WW

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Starke Wechselwirkung Quantenchromodynamik

-

koppelt an Farbladung (rot, gelb, blau, Antifarben) -Quarks tragen jeweils eine Farbe

-Bei der Wechselwirkung ändert sich die Farbe -Gluonen tragen zwei Farben

-Alle Prozesse nach außen Farbneutral

b r

r

b,

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Starke Wechselwirkung

-

Gluonen koppeln an sich selbst, da sie farbgeladen sind.

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-

bindet 2 (Mesonen) Quarks

-oder 3(Baryonen) Quarks q,q,q aneinander q

q,

q

q q

q

Neutron (d,d,u)  ^⁽^u^, ^d⁾

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Möglichkeiten, Quarks zu kombinieren (hier: u,d,s)

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-

Mesonen nicht sehr stabil,

-zerfallen über schwache WW -Baryonen zerfallen in leichtere Baryonen, bis hin zum Proton (z.B.Neutron in Proton)

8 s 10^

 

Pionzerfall

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Starke Wechselwirkung wird mit Entfernung stärker

 potentielle Energie nimmt mit Entfernung zu

 Neue Mesonen können entstehen

.

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Gravitative Wechselwirkung

-Das Austauschteilchen, das Graviton wurde noch nie beobachtet

-Masselos, unendliche Reichweite

-Spielt in Quantenmechanischen Prozessen eine untergeordnete Rolle

-Wird daher nicht explizit im Standardmodell erfasst -Verweis auf Einstein: Allgem. Relativitätstheorie

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Experimente zur Teilchenphysik

-Höhenstrahlexperimente: Ballon, Boden -Collider-Experimente:Linear, Ring

-Experimente mit Kernstrahlung

Allg.: „Beobachtung“ der Teilchen durch geeignete Detektoren

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Bsp: Large Hardron collider (LHC) am CERN

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LHC Speichering am CERN

-Protonen werden über EM-Wellen beschleunigt -Über Magnetfelder auf Kreisbahn gezwungen -Aufeinandergeschossen mit hohen Energien -neue Teilchen können entstehen

-können mit Detektoren vermessen werden

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Bsp: CMS-Detektor

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Grenzen des Standardmodells

Wieso haben die Teilchen Masse?

Kopplungskonstanten bei hohen Energien?

Leptonzahlerhaltung bei Neutrinooszillationen?

Supersymmetrische Teilchen?

Dunkle Materie?

Warum drei Familien?

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Zusammenfassung

Jeweil 6 Leptonen und Quarks mit versch.

Ladungen( elektrische, Farbladung)

-4 Wechselwirkungen (elmg., schwach, stark, grav.) -Alltagsmaterie aus Baryonen (uud, udd) und

Elektronen

-Wechselwirkungen gehen im makroskopischen Grenzfall in klassische Modelle über

-Weitere Forschung nötig, um Unklarheiten zu klären

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Literaturempfehlungen

• Teilchen, Felder und Symmetrien: Quantenfeldtheorie und die Einheit der Naturgesetze, Heidelberg 1985 Bib:2.30

• Lehrbücher zu Quantenfeldtheorie,

Quantenelektrodynamik, Quantenchromodynamik.

• Lehrbücher zu Kerne und Teilchen