das standardmodell der teilchenphysik · anderson: entdeckung des positrons aus [1] sven röhrauer...
Post on 09-Aug-2019
215 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Das Standardmodell der Teilchenphysik
Sven Röhrauer
Universität Karlsruhe
Hauptseminar"Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik"
WS 2008/09
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Gliederung1 Einleitung und Entwicklung
Die klassische ÄraUmbruchTeilchenzoo
2 Das StandardmodellTeilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
QuantenelektrodynamikChromodynamikFlavordynamik
3 SchlussHiggs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Die klassische ÄraUmbruchTeilchenzoo
Was ist das Standardmodell?
Das Standardmodell ist ein Modell der Teilchenphysik, es
• beschreibt Teilchen und ihre Wechselwirkungen
• beschreibt Wechselwirkungen durch Austausch vonTeilchen
• ist eine relativistische Quantenfeldtheorie
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Die klassische ÄraUmbruchTeilchenzoo
Die ersten Elementarteilchen
• Materie besteht aus kleinsten Teilchen
• Thomson: Entdeckung des Elektrons (1897)
• Rutherford: Atomkerne (1911)
• Chadwick: Entdeckung des Neutrons (1932)
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Die klassische ÄraUmbruchTeilchenzoo
„Teilchen“?
• Planck: Quantelung (1900)
• Einstein: Erklärung des Photoeffekts (1905)
• de Broglie: Materiewellen (1924)
• Schrödinger/Heisenberg: Quantenmechanik (1925)
• Dirac: relativistische Quantenmechanik (1930)
• Quantenfeldtheorie
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Die klassische ÄraUmbruchTeilchenzoo
Antiteilchen
Dirac: Voraussage von Antimaterie
Anderson: Entdeckung des Positrons
aus [1]
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Die klassische ÄraUmbruchTeilchenzoo
Neutrino
Betrachte β-Zerfall als Zweikörperproblem:
n → p + e−
Probleme:• kontinuierliches Spektrum• Drehimpulserhaltung
Deshalb:n → p + e− + νe
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Die klassische ÄraUmbruchTeilchenzoo
Chaos
Es wurden immer mehr Teilchen gefunden:1947 π− und π+
1949 π0
1951 K0
1952 ∆’s und Λ’s1953 Σ+, Σ−, Ξ−
1955 p1956 Σ0, K−, K+
1959 Ξ0
1961 η
1964 Ω−
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Die klassische ÄraUmbruchTeilchenzoo
Ordnung - Der achtfache Weg
Einordnung der bekannten Teilchen in ein Oktett und Dekuplett:
⇒ Das Ω− wurde 1964 tatsächlich gefunden.Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Elementarteilchen
Es gibt• Fermionen (Spin halbzahlig)
FermionenFamilie
El. Ladung Farbe Spin1 2 3
Leptonene µ τ -1
- 1/2νe νµ ντ 0
Quarksu c t +2/3
r, g, b 1/2d s b -1/3
• Dazu jeweils das Antiteilchen• Außerdem: Austauschbosonen (ganzzahliger Spin)
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Anmerkungen
• “Normale“ Materie besteht aus Teilchen der ersten Familie.• Baryonen (qqq) und Mesonen (qq)• Enorme Unterschiede bezgl. der Masse, z.B.
• m(e) ≈ 511 keV/c2 ⇔ m(τ ) ≈ 1,777 GeV/c2
• m(u) ≈ 2 MeV/c2 ⇔ m(t) ≈ 171 GeV/c2
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Die fundamentalen Kräfte
Es gibt vier fundamentale Kräfte:• gravitative Kraft• elektromagnetische Kraft• schwache Kraft• starke Kraft
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Kräfte im Standardmodell
Im Rahmen des Standardmodells werden drei Kräftebeschrieben, sie werden durch Feldquanten (Eichbosonen)vermittelt:
Kraft Feldquant Theoriestark Gluon Chromodynamik
elektromagnetisch Photon Quantenelektrodynamikschwach W± und Z Flavordynamik
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Noether-Theorem
Zu jeder kontinuierlichen Symmetrie eines physikalischenSystems gehört eine Erhaltungsgröße und umgekehrt.
• Homogenität des Raumes (Translationsinvarianz im Raum)→ Impulserhaltung.
• Isotropie des Raumes (Rotationsinvarianz)→ Drehimpulserhaltung.
• Homogenität der Zeit (Translationsinvarianz in der Zeit)→ Energieerhaltung.
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Erhaltungsgrößen im Standardmodell
• Energie• Impuls• elektrische Ladung• Leptonenzahl (genauer: Elektron-, Myon- und Tauonzahl)
(Lepton: N = +1, Antilepton N = −1)• nur bei EM und starker WW: Flavour
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Richard Feynman
aus [2]
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Feynman-Diagramme
Bildhafte Veranschaulichung von Teilchenprozessen:
Fermionen:
Teilchen Antiteilchen
Bosonen:W±, Z0
PhotonGluon
Vertex:beschreibt Struktur undStärke der WW
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Goldene Regel
Fermi’s Goldene Regel:
W =2π
~· |Mfi |2 · ρPhasenraum
Durch die Feynman-Diagramme werden verschiedeneSubprozesse dargestellt:
Mfi=m(1)1 + m(1)
2 + m(2)1 + m(2)
2 + m(2)3 + . . .
Die “Übersetzung“ (Diagramm ↔ Rechnung) ist durch dieFeynman-Regeln gegeben.
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Quantenelektrodynamik: Bhabha-Streuung (1)
Wechselwirkung von Elektronen und Positronen über denAustausch eines Photons:
Erste Ordnung:
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Quantenelektrodynamik: Bhabha-Streuung (2)
Zweite Ordnung:
⇒ Prozesse höherer Ordnung sind unwahrscheinlich, da siemehr Vertices enthalten.
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Jetzt: Chromodynamik
Kraft Feldquant Theoriestark Gluon Chromodynamik
elektromagnetisch Photon Quantenelektrodynamikschwach W± und Z Flavordynamik
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Chromodynamik - Einführung der Farbe
Betrachtet die ∆++-Resonanz:
| ∆++〉 =| uuu〉 |↑↑↑〉
⇒ Gesamtwellenfunktion ist symmetrisch
⇒ Verstoß gegen das Pauliprinzip
⇒ Lösung: Einführung einer weiteren Quantenzahl: Farbladung
⇒ Drei Arten: Rot, Grün und Blau (und Antifarben)
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Chromodynamik: Gluonen
Die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung - dieGluonen - tragen selbst Farbladung (eine Farbe und eineAntifarbe):
⇒ Gluonen können untereinander koppeln.
Es gibt 3⊗ 3 = 8⊕ 1
⇒ Das Singulett trägt die Farbladung 0, kann also keinechromodynamischen Kräfte übertragen.
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Chromodynamik - Asymptotische Freiheit und Confinement
Die starke Kraft verhält sich qualitativ umgekehrt zurelektromagnetischen Kraft:
• bei kleinen Abständen ist sie schwach
⇒ Asymptotische Freiheit
• bei großen Abständen ist sie stark
⇒ Confinement
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Asymptotische Freiheit
Confinement
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
QED und QCD im Vergleich
elektrisches Feld vs. starkes Feld aus: [3]
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Experimentelle Bestätigung am DESY (HERA)
aus: [3]
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Das Proton - naives Bild
Das Proton besteht aus drei Quarks: uud
aus: [3]
⇒ Die Gluonen (Klebeteilchen) halten die Quarks zusammen.
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Das Proton - Valenz- und Seequarks
aus: [3]
⇒ Etwa 50% des Proton-Impulses wird von den Quarksgetragen.
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Jetzt: Flavordynamik
Kraft Feldquant Theoriestark Gluon Chromodynamik
elektromagnetisch Photon Quantenelektrodynamikschwach W± und Z Flavordynamik
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Flavordynamik: Der β-Zerfall
⇒ Der Flavour ist nicht erhalten!
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Flavordynamik: Z0 vs. γ
⇒ Problem: Elektromagnetische WW viel stärker als dieschwache WW.
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Flavordynamik: Z0 vs. γ - Ergebnis (1)
aus: [4]
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Flavordynamik: Z0 vs. γ - Ergebnis (2)
⇒ unsymmetrische Verteilung: Bild 6= Spiegelbild
⇒ Paritätsverletzung!
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Die schwache WW - Paritätsverletzung
Ändert sich die Physik bei Raumspiegelung?
Lee, Yang und Wu: β-Zerfall von Kobalt:60Co → 60Ni + e− + νe
⇒ Nur 1) beobachtet, d.h. die schwache WW verletzt die ParitätSven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Teilchen und AustauschteilchenErhaltungssätze und SymmetrienWechselwirkungen (und Feynman-Diagramme)
Übersicht
• starke Kraft• Gluon• Farbladung• kurze Reichweite (Gluon-Selbstkopplung)
• elektromagnetische Kraft• Photon• elektrische Ladung• unendliche Reichweite
• schwache Kraft• W± und Z0
• schwache Ladung• sehr kurze Reichweite (W± und Z0 haben Masse)
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Higgs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
Warum Higgs-Mechanismus?
Problem: mathematische Beschreibung des Standardmodellserfordert masselose Teilchen, aber Teilchen habenoffensichtlich eine Masse, z.B.• m(p) = 938 MeV/c2
• m(Z0) = 91 GeV/c2
⇒ Einführung des Higgs-Felds und dem Higgs-Teilchen.
Eigenschaften:
• Boson: Spin 0• el. neutral• m(H)> 114 GeV/c2
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Higgs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
spotane Symmetriebrechung
Masse entsteht durch spontane Symmetriebrechung.
⇒ Das Potential ist symmetrisch, der Grundzustand nicht.Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Higgs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
Higgs-Mechanismus anschaulich
CERN
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Higgs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
Higgs-Mechanismus anschaulich
CERN
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Higgs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
Higgs-Mechanismus anschaulich
CERN
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Higgs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
Higgs-Teilchen anschaulich
CERN
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Higgs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
Higgs-Teilchen anschaulich
CERN
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Higgs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
Zusammenfassung
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Higgs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
Offene Fragen
Das Standardmodell ist experimentell exzellent bestätigt, aberes gibt natürliche offene Fragen:
• Gravitation?
• Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie?
• Proton und Elektron: gleiche Ladung, aber sonstunterschiedliche Eigenschaften?
• Dunkle Materie?
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Higgs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
Bildnachweis
[1] ANDERSON, CARL D.: The Positive Electron.Phys. Rev., 43(6):491–494, Mar 1933.
[2] BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY: A Celebration ofRichard Feynman.http://www.bnl.gov/bnlweb/pubaf/pr/photos/2005/feynman-300.jpg.
[3] SÖDING, PAUL UND FLEGEL, ILKA: Das SupermikroskopHera.DESY, 2002.
[4] PLUTO COLLABORATION: Measurement of the muonpair asymmetry in e+e− annihilation at
√s=34.7 GeV.
Zeitschrift für Physik C Particles and Fields, 21(1-2):53–57,Mar 1933.
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
Einleitung und EntwicklungDas Standardmodell
Schluss
Higgs-MechanismusZusammenfassungOffene Fragen
Verwendete Literatur
POVH, BOGDAN UND RITH, KLAUS: Teilchen und KerneSpringer, 7. Aufl., 2006
BERGER, CHRISTOPH: ElementarteilchenphysikSpringer, 2., aktualisierte und überarb. Aufl., 2006
COUGHLAN, GUY D. UND JAMES DODD: ElementarteilchenVieweg, 1996
GRIFFITHS, DAVID J.: Einführung in dieElementarteilchenphysikAkademie-Verl., 1996
Sven Röhrauer Das Standardmodell der Teilchenphysik
top related