institut für hochenergiephysikdas standardmodell welche ordnung steckt hinter dem teilchenzoo? was...
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Institut für HochenergiephysikDas 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
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 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
„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 Hochenergiephysik
Die Masse des Protons ist ca. 1 GeV/c2
Das Standardmodell Der Teilchenzoo
+
-e-
1V
1GeV = 1000000000 eV
Das Elektronenvolt (eV)
2mcΕ
Institut für Hochenergiephysik
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 Teilchen3 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) . Das Kräfteteilchen wird Gluon genannt. Es ist 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
Institut für HochenergiephysikHorizonte der Teilchenphysik
• Was ist spontane Symmetriebrechung?• Was ist Supersymmetrie ? • Was sind die „heißen“ Fragen der
Teilchenphysik und Kosmologie?
Institut für Hochenergiephysik
Supersymmetrie
Der Weg zur allumfassenden Theorie?
Symmetrien spielen in der modernen Physik (wie in der Kunst) eine zentrale Rolle, da sich in ihnen die Grundprinzipien der Natur manifestieren.
Die größte mögliche Symmetrie der Naturgesetze wird SUPERSYMMETRIE - kurz SUSY - genannt. Sie ist eine Symmetrie zwischen Materieteilchen (Fermionen) und Kräfteteilchen (Bosonen) und bietet eine Möglichkeit, unser heutiges Wissen über die Grundstruktur der Materie (das sog.Standardmodell) in eine größere, umfassendere Theorie einzubetten.
Die „neue“ Physik
Institut für Hochenergiephysik
SUSY-Teilchen im Experiment
Die Suche nach diesen neuen supersymmetrischen Teilchen ist eine der vorrangigen Aufgaben der großen Experimente am Tevatron in den USA, am LHC im CERN und am geplanten e+ e- Linear Collider.
SUSY Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen.
Die „neue“ Physik
Institut für HochenergiephysikHorizonte der Teilchenphysik
Elektromagnetische
Kraft
schwache Kraft
starke Kraft
Schwerkraft
Elektroschwache
Kraft
Große
Vereinigung
?
Institut für Hochenergiephysik
Woraus ist das Universum aufgebaut?
Unser Universum setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:
• Nur 4% normale Materie: Sterne, interstellare Materie
• Größte Teil des Universum besteht aus Unbekanntem:
- 1/3 aus „Dunklen Materie“
- 2/3 aus „Dunklen Energie“
Kosmologie und Astrophysik
Institut für Hochenergiephysik
• Diskrepanz zwischen beobachteten und berechneten Massen in Galaxien und Galaxienhaufen
• Sterne bewegen sich zu rasch um die Zentren der Galaxien
• Galaxienhaufen würde sich in ihre Bestandteile auflösen
• Beide Beobachtungen nur durch eine zusätzliche Gravitationsanziehung erklärbar
Kosmologie und Astrophysik
Dunkle Materie
Institut für Hochenergiephysik
Dunkle Energie
• Bewirkt eine Beschleunigung der Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums
• Auf Grund der Gravitationsanziehung der Materie Abbremsung der Ausdehnung des Universums
• Aber Beobachtungen ergaben: Universum dehnt sich immer schneller aus
• Grund: Dunkle Energie
Kosmologie und Astrophysik
Institut für Hochenergiephysik
Einige ‘heiße’ Fragen der Teilchenphysik(die zur Zeit experimentell untersucht werden)
• Wie bekommen die Teilchen eine Masse? (durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Teilchen?)
• Warum sind diese Massen so unterschiedlich?
• Gibt es eine allumfassende (verborgene) Symmetrie wie Supersymmetrie (SUSY) ’Spiegelwelt’ zu den bekannten Teilchen.
• Welcher Natur sind die ‘Dunkle Materie’ und ‘Dunkle Energie’ des Universums?
• Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?
• Warum haben Neutrinos eine so kleine Masse?
• Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte (‘Grand Unification’), einschließlich der Gravitation?
• Gibt es noch weitere Dimensionen, D > 4 ? ( Stringtheorie, …)
Die „neue“ Physik
Institut für HochenergiephysikTeilchenphysik und Kosmologie
Es sind noch lange nicht alle Rätsel des Universums gelöst…