herry
22.11.08, 12:18
Teilchenphysik – das Standardmodell
Der Grundbaustein der Physik
Einleitung in das Standardmodell:
Das uns alle bekannte Model eines Atoms aus dem Chemie Unterricht unser damaligen oder jetzigen Schule kennen wir alle. Das Elektron, das Proton und das Neutron werden uns im hintersten Kopf alle noch herum schwirren und vielleicht die eine oder andere graue Zelle reaktivieren mit der wir irgendetwas mit diesen Namen in Verbindung bringen können. Doch was wissen wir noch genau über diese Namen?
Proton: ein elektrisch positiv geladenes Teilchen im Atomkern
Neutron: ein elektrisch neutral geladenes Teilchen im Atomkern
Elektron: ein elektrisch negativ geladenes Teilchen auf einer Bahn um den Atomkern herum
Damit war für uns die Sache gegessen und mehr sollten und wollten wir auch gar nicht wissen. Vielleicht wurde uns noch die wahnwitzige Zahl von 6,022 141 79 (30) * 10²³, was auf Deutsch 602 Trilliarden heißt, genannt. Vielleicht kennen Sie sie noch unter dem Namen 1 Mol?!
Mol war die Stoffmenge eines Systems, dass aus ebenso vielen Einzelteilchen besteht wie Atome in 0,012 Kilogramm des Nuklids Kohlenstoff-12 (12c) enthalten sind. Solch riese Zahlen sind in der heutigen Physik gar nicht mehr weg zu denken.
Und was wissen wir heute über die Struktur eines Atomes?
Proton: ist ein langlebiges positiv geladenes Hadron (Formelzeichen p). Es besteht aus zwei u-Quarks und einem d-Quark (Formel- „uud“ up up down). Es ist von einem See aus Gluonen und Quark-Antiquark-Paaren umgeben. Weniger als 20% der Masse des Protons kommt von den sogenannten Valenzquarks. Der Rest bildet sich aus den Gluonen die die starke Kraft (starke Wechselwirkung) übertagen. Der Durchmesser eines Protons beträgt gerade mal 1,7 * 10-15 m. Zu dem ist das Proton ein Baryon.
Neutron: ist ein elektrisch neutrales Hadron (Formelzeichen n), besitzt aber dennoch ein schwachen magnetischen Moment. Es ist Bestandteil des Atomkernes wie das Proton und zusammen kann man beide als Nukleonen bezeichnen. Sofern es nicht in einem Atomkern gebunden ist, ist das Neutron nicht stabil. Das Neutron besitzt ein ½ Spin wie das Proton und ist damit ein Fermion. Es gehört zu der „Familie“ der Baryonen und besteht aus zwei d-Quarks und einem u-Quark (Formel- „udd“ up down down). Zu dem erstreckt sich die mittlere Lebensdauer bis auf 885,7 ± 0,8 Sekunden.
Elektron: ist auch unter den Namen Negatron bekannt. Das Elektron gehört zu den Leptonen und hat wie das Neutron und Proton einen ½ Spin. Und da sie einen halbzahligen Spin besitzen gehören sie automatisch zur Klasse der Fermionen. Das Elektron führt weit weg von allen anderen den Rekord der mittleren Lebensdauer auf 1024 Jahre. Im Gegensatz dazu, dass Universum ist „gerade mal“ 13,7 ± 0,5 Mrd. Jahre alt.
"..."
(jetzt kommt eigentlich eine Tabelle mit Eigenschaften vom Elektron/Proton/Neutron, aber da die Formatierung verloren geht, lasse ich das mal weg)
"..."
Eine kleine Einführung dafür, was wir im Unterricht alles nicht lernen mussten. Aber wie Sie sich vorstellen können waren das noch nicht alle Teilchen. Hier mal eine kleine Vorspeise zum „Dinner“: Photon, Gluon, Graviton, W- und Z-Boson/Higgs-Boson/Eichboson, , Leptonen, Quarks, Mesonen, Baryonen, Tachyonen, Antiteilchen und noch andere.
Das erst einmal zu den ganzen Teilchen. Was aber genau ist das Standardmodell eigentlich? Woraus besteht es?
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist eine physikalische Theorie. Mit Hilfe von Mathematischen Formeln beschreibt sie die uns bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen zwischen diesen. Die drei uns bisher bekannten Wechselwirkungen sind die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung. Man könnte das Standardmodell (SM – abgekürzt) auch als eine relativistische Quantenfeldtheorie bezeichnen. Unteranderem ist sie den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie untergeordnet. Die fundamentalen Objekte sind Felder in der Raumzeit (Feldtheorie), die nur in bestimmte Pakete verändert werden (Quantentheorie). Die Vorhersagen des SMs werden durch viele teilchenphysikalische Experimente gut untermauert. Allerdings sind noch einige wenige Teilchen davon noch nicht betroffen die durch das SM hervor gesagt werden z.B.: Higgs-Boson, Graviton. Auch bezieht das SM die 4 Grundkraft, die Gravitation nicht mit ein und kann dadurch bestimmte Beobachtungen nicht genügend erklären. Hinzu kommt das 18 Parameter Unabhängig von der Theorie vorher festgelegt werden müssen durch Experimente. Dadurch wird das SM recht „biegsam“ und kann sich in einem gewissen Rahmen den tatsächlich gemachten Beobachtungen anpassen. Auch wenn diese Theorie nur den Grundbaustein der modernen Teilchenphysik darstellt, reicht es insgesamt dennoch nicht für die Erklärung der Welt aus. Es gibt schon zahlreiche Bemühungen sie zu erweitern oder abzulösen.
Im Standardmodell sind 12 Materiebausteine in 3 Teilchen-Familien (Teilchen-Generation) unterteilt. Bisher bestand noch nicht die Notwendigkeit von mehr als 3 Teilchen-Familien auszugehen.
Zu ersten Familie gehören die
• Elektronen
• Neutrinos (entstehen bei Kernzerfällen und in der Sonne)
• Up- und Down-Quarks
Zur zweiten Familie gehören die
• Das Myon
• Das Myon-Neutrino
• Das Charm- und Strange-Quark
Und zur dritten Familie gehören die
• Das Tauon
• Das Tauon-Neutrino,
• Das Top- und Bottom-Quark
Die uns umgebene stabile Materie besteht aus 4 dieser Teilchen- den Teilchen der ersten Familie: Elektronen, Elektron-Neutrinos, Up-Quarks und Down-Quarks. Die anderen 8 Teilchen sind schwerere Kopien der ersten Familie und können anhand der kosmischen Strahlung nachgewiesen werden. Diese sind aber Instabil und wandeln sich wie vorher erwähnt in die Teilchen der ersten Familie um. Der genaue Grund für ihre Existenz bleibt dennoch ungeklärt. Entsprechend ihrer Eigenschaften werden diese 12 elementaren Teilchen in „Gruppen“ eingeteilt: Quarks und Leptonen
Leptonen:
› Bezeichnung „Lepton“ hat griechische Wurzeln (leptòs = „leicht“, „klein“)
› Leptonen sind Fermionen, sie unterliegen damit als Teilchen mit halbzahligem Spin der Fermi-Dirac-Statistik und damit auch dem Pauli-Prinzip, was auf die Besetzung der einzelnen energetischen Zustände entscheidenden Einfluss hat.
› Leptonen unterliegen der schwachen Wechselwirkung. Diese Kraft ist eine anziehende oder abstoßende Kraft, sondern wandelt Teilchen ineinander um. Sie ist unter
anderem für den ß- - Zerfall verantwortlich, bei dem sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino umwandelt.
› Leptonen sind Elementarteilchen. Da sie nicht zu den Quarks gehören, tauschen sie keine Gluonen aus und unterliegen nicht der starken Wechselwirkung.
› Trägt ein Lepton eine elektrische Ladung (Myon, Tauon, Elektron) unterliegt es der elektromagnetischen Wechselwirkung.
› Leptonen unterliegen der Gravitation. Elektron und Elektron-Neutrino haben aber eine sehr kleine Masse, was die Gravitationswirkung in Grenzen hält. (Deswegen wird die Gravitation im Schul-Unterricht gerne vernachlässigt)
› ungeladene Leptonen sind die Neutrinos. Sie sind sehr schwer nachzuweisen, da sie mit anderen Materieteilchen kaum wechselwirken. Mit der kosmischen Strahlung erreichen uns ständig 10 13 Neutrinos pro cm³ und Sekunde. Neue Experimente gehen von einer kleinen aber endlichen Masse von Neutrinos aus.
› Neueste Erkenntnisse auf diesem Gebiet deuten an, dass Neutrinos nicht stabil sind, sondern sich in einander umwandeln können.
Quarks:
› Murray Gell-Mann und George Zweig (Caltech) postulieren 1964 die Quarks.
› Quarks besitzen wie Leptonen einen ½ Spin und sind somit Fermionen.
› Die 6 Quark-Arten unterscheidet man, indem man ihnen jeweils ein Quark-Flavors (engl. Für Geschmackrichtung) zuschreibt: Up, Down, Strange, Charm, Bottom (Beauty), Top (Truth).
› Up-Quark
- Name wegen des Isospin (Quantenzahl)
- Isospin entspricht einem Drehimpuls – up oder einem down +½
- Masse: weil Quarks nie alleine, sondern immer in Gruppen auftreten, lässt sich nur aus der Masse der Gruppe auf die einzelnen Quarks erschließen
› Down-Quark
- Isospin: - ½
- Nach bisherigen Erkenntnissen ist das Down-Quark stabil
› Strange-Quark (strange-seltsam)
- Eingeführt, um Aufbau einiger Baryonen wie Σ+, Σ-, Σ0 zu erklären
- Negative Quantenzahl Strangeness eines Teilchen gibt die Anzahl der enthaltenen Strange-Quarks an
Seltsame Materie (Strangelet)
Die seltsame Materie besteht aus den Elementarteilchen, die auf unserer Erde nicht natürlich vorkommen und die das Strange-Quark enthalten. Teilchen die aus 3 Quarks, wie z.B.: Proton und Neutron bestehen, werden als Baryon bezeichnet. Wenn dazu ein Stange Quark im Teilchen enthalten ist bekommt es den Namen Hyperon. Die Hyperonen sind instabil. Mesonen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen, können das Strange-Quark enthalten. Beispiel: das Kaon. Es können aber auch doppelt seltsame Teilchen vorkommen.
› Charm-Quark
- Gegenstück des Strange-Quarks
- Besitzt die Charm-Quantenzahl C = 1
- Die Charm-Quantenzahl war 1974 eingeführt worden, um das neu entdeckte J/Ψ-Mesonen in den Teilchenzoo einordnen zu können.
- Wurde 1970 vorhergesagt, 1974 erstmals künstlich erzeugt.
- Lebensdauer beträgt ungefähr 10-12 Sekunden
- Sie können sich nur über die „schwache Wechselwirkung“ in Strang-Quarks wandeln; daher haben Verbindungen mit Charme-Quarks eine relativ lange Lebensdauer
› Bottom-Quark (Beauty)
- Erstmals 1977 nachgewiesen
- Lebensdauer ca. 2•10-12
› Top-Quark (Truth-Quark)
- Schwerstes Quark
- Lebensdauer ca. 10-24
- Kommt in der Natur nicht vor
Der Grundbaustein der Physik
Einleitung in das Standardmodell:
Das uns alle bekannte Model eines Atoms aus dem Chemie Unterricht unser damaligen oder jetzigen Schule kennen wir alle. Das Elektron, das Proton und das Neutron werden uns im hintersten Kopf alle noch herum schwirren und vielleicht die eine oder andere graue Zelle reaktivieren mit der wir irgendetwas mit diesen Namen in Verbindung bringen können. Doch was wissen wir noch genau über diese Namen?
Proton: ein elektrisch positiv geladenes Teilchen im Atomkern
Neutron: ein elektrisch neutral geladenes Teilchen im Atomkern
Elektron: ein elektrisch negativ geladenes Teilchen auf einer Bahn um den Atomkern herum
Damit war für uns die Sache gegessen und mehr sollten und wollten wir auch gar nicht wissen. Vielleicht wurde uns noch die wahnwitzige Zahl von 6,022 141 79 (30) * 10²³, was auf Deutsch 602 Trilliarden heißt, genannt. Vielleicht kennen Sie sie noch unter dem Namen 1 Mol?!
Mol war die Stoffmenge eines Systems, dass aus ebenso vielen Einzelteilchen besteht wie Atome in 0,012 Kilogramm des Nuklids Kohlenstoff-12 (12c) enthalten sind. Solch riese Zahlen sind in der heutigen Physik gar nicht mehr weg zu denken.
Und was wissen wir heute über die Struktur eines Atomes?
Proton: ist ein langlebiges positiv geladenes Hadron (Formelzeichen p). Es besteht aus zwei u-Quarks und einem d-Quark (Formel- „uud“ up up down). Es ist von einem See aus Gluonen und Quark-Antiquark-Paaren umgeben. Weniger als 20% der Masse des Protons kommt von den sogenannten Valenzquarks. Der Rest bildet sich aus den Gluonen die die starke Kraft (starke Wechselwirkung) übertagen. Der Durchmesser eines Protons beträgt gerade mal 1,7 * 10-15 m. Zu dem ist das Proton ein Baryon.
Neutron: ist ein elektrisch neutrales Hadron (Formelzeichen n), besitzt aber dennoch ein schwachen magnetischen Moment. Es ist Bestandteil des Atomkernes wie das Proton und zusammen kann man beide als Nukleonen bezeichnen. Sofern es nicht in einem Atomkern gebunden ist, ist das Neutron nicht stabil. Das Neutron besitzt ein ½ Spin wie das Proton und ist damit ein Fermion. Es gehört zu der „Familie“ der Baryonen und besteht aus zwei d-Quarks und einem u-Quark (Formel- „udd“ up down down). Zu dem erstreckt sich die mittlere Lebensdauer bis auf 885,7 ± 0,8 Sekunden.
Elektron: ist auch unter den Namen Negatron bekannt. Das Elektron gehört zu den Leptonen und hat wie das Neutron und Proton einen ½ Spin. Und da sie einen halbzahligen Spin besitzen gehören sie automatisch zur Klasse der Fermionen. Das Elektron führt weit weg von allen anderen den Rekord der mittleren Lebensdauer auf 1024 Jahre. Im Gegensatz dazu, dass Universum ist „gerade mal“ 13,7 ± 0,5 Mrd. Jahre alt.
"..."
(jetzt kommt eigentlich eine Tabelle mit Eigenschaften vom Elektron/Proton/Neutron, aber da die Formatierung verloren geht, lasse ich das mal weg)
"..."
Eine kleine Einführung dafür, was wir im Unterricht alles nicht lernen mussten. Aber wie Sie sich vorstellen können waren das noch nicht alle Teilchen. Hier mal eine kleine Vorspeise zum „Dinner“: Photon, Gluon, Graviton, W- und Z-Boson/Higgs-Boson/Eichboson, , Leptonen, Quarks, Mesonen, Baryonen, Tachyonen, Antiteilchen und noch andere.
Das erst einmal zu den ganzen Teilchen. Was aber genau ist das Standardmodell eigentlich? Woraus besteht es?
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik ist eine physikalische Theorie. Mit Hilfe von Mathematischen Formeln beschreibt sie die uns bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen zwischen diesen. Die drei uns bisher bekannten Wechselwirkungen sind die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung und die elektromagnetische Wechselwirkung. Man könnte das Standardmodell (SM – abgekürzt) auch als eine relativistische Quantenfeldtheorie bezeichnen. Unteranderem ist sie den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie untergeordnet. Die fundamentalen Objekte sind Felder in der Raumzeit (Feldtheorie), die nur in bestimmte Pakete verändert werden (Quantentheorie). Die Vorhersagen des SMs werden durch viele teilchenphysikalische Experimente gut untermauert. Allerdings sind noch einige wenige Teilchen davon noch nicht betroffen die durch das SM hervor gesagt werden z.B.: Higgs-Boson, Graviton. Auch bezieht das SM die 4 Grundkraft, die Gravitation nicht mit ein und kann dadurch bestimmte Beobachtungen nicht genügend erklären. Hinzu kommt das 18 Parameter Unabhängig von der Theorie vorher festgelegt werden müssen durch Experimente. Dadurch wird das SM recht „biegsam“ und kann sich in einem gewissen Rahmen den tatsächlich gemachten Beobachtungen anpassen. Auch wenn diese Theorie nur den Grundbaustein der modernen Teilchenphysik darstellt, reicht es insgesamt dennoch nicht für die Erklärung der Welt aus. Es gibt schon zahlreiche Bemühungen sie zu erweitern oder abzulösen.
Im Standardmodell sind 12 Materiebausteine in 3 Teilchen-Familien (Teilchen-Generation) unterteilt. Bisher bestand noch nicht die Notwendigkeit von mehr als 3 Teilchen-Familien auszugehen.
Zu ersten Familie gehören die
• Elektronen
• Neutrinos (entstehen bei Kernzerfällen und in der Sonne)
• Up- und Down-Quarks
Zur zweiten Familie gehören die
• Das Myon
• Das Myon-Neutrino
• Das Charm- und Strange-Quark
Und zur dritten Familie gehören die
• Das Tauon
• Das Tauon-Neutrino,
• Das Top- und Bottom-Quark
Die uns umgebene stabile Materie besteht aus 4 dieser Teilchen- den Teilchen der ersten Familie: Elektronen, Elektron-Neutrinos, Up-Quarks und Down-Quarks. Die anderen 8 Teilchen sind schwerere Kopien der ersten Familie und können anhand der kosmischen Strahlung nachgewiesen werden. Diese sind aber Instabil und wandeln sich wie vorher erwähnt in die Teilchen der ersten Familie um. Der genaue Grund für ihre Existenz bleibt dennoch ungeklärt. Entsprechend ihrer Eigenschaften werden diese 12 elementaren Teilchen in „Gruppen“ eingeteilt: Quarks und Leptonen
Leptonen:
› Bezeichnung „Lepton“ hat griechische Wurzeln (leptòs = „leicht“, „klein“)
› Leptonen sind Fermionen, sie unterliegen damit als Teilchen mit halbzahligem Spin der Fermi-Dirac-Statistik und damit auch dem Pauli-Prinzip, was auf die Besetzung der einzelnen energetischen Zustände entscheidenden Einfluss hat.
› Leptonen unterliegen der schwachen Wechselwirkung. Diese Kraft ist eine anziehende oder abstoßende Kraft, sondern wandelt Teilchen ineinander um. Sie ist unter
anderem für den ß- - Zerfall verantwortlich, bei dem sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino umwandelt.
› Leptonen sind Elementarteilchen. Da sie nicht zu den Quarks gehören, tauschen sie keine Gluonen aus und unterliegen nicht der starken Wechselwirkung.
› Trägt ein Lepton eine elektrische Ladung (Myon, Tauon, Elektron) unterliegt es der elektromagnetischen Wechselwirkung.
› Leptonen unterliegen der Gravitation. Elektron und Elektron-Neutrino haben aber eine sehr kleine Masse, was die Gravitationswirkung in Grenzen hält. (Deswegen wird die Gravitation im Schul-Unterricht gerne vernachlässigt)
› ungeladene Leptonen sind die Neutrinos. Sie sind sehr schwer nachzuweisen, da sie mit anderen Materieteilchen kaum wechselwirken. Mit der kosmischen Strahlung erreichen uns ständig 10 13 Neutrinos pro cm³ und Sekunde. Neue Experimente gehen von einer kleinen aber endlichen Masse von Neutrinos aus.
› Neueste Erkenntnisse auf diesem Gebiet deuten an, dass Neutrinos nicht stabil sind, sondern sich in einander umwandeln können.
Quarks:
› Murray Gell-Mann und George Zweig (Caltech) postulieren 1964 die Quarks.
› Quarks besitzen wie Leptonen einen ½ Spin und sind somit Fermionen.
› Die 6 Quark-Arten unterscheidet man, indem man ihnen jeweils ein Quark-Flavors (engl. Für Geschmackrichtung) zuschreibt: Up, Down, Strange, Charm, Bottom (Beauty), Top (Truth).
› Up-Quark
- Name wegen des Isospin (Quantenzahl)
- Isospin entspricht einem Drehimpuls – up oder einem down +½
- Masse: weil Quarks nie alleine, sondern immer in Gruppen auftreten, lässt sich nur aus der Masse der Gruppe auf die einzelnen Quarks erschließen
› Down-Quark
- Isospin: - ½
- Nach bisherigen Erkenntnissen ist das Down-Quark stabil
› Strange-Quark (strange-seltsam)
- Eingeführt, um Aufbau einiger Baryonen wie Σ+, Σ-, Σ0 zu erklären
- Negative Quantenzahl Strangeness eines Teilchen gibt die Anzahl der enthaltenen Strange-Quarks an
Seltsame Materie (Strangelet)
Die seltsame Materie besteht aus den Elementarteilchen, die auf unserer Erde nicht natürlich vorkommen und die das Strange-Quark enthalten. Teilchen die aus 3 Quarks, wie z.B.: Proton und Neutron bestehen, werden als Baryon bezeichnet. Wenn dazu ein Stange Quark im Teilchen enthalten ist bekommt es den Namen Hyperon. Die Hyperonen sind instabil. Mesonen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen, können das Strange-Quark enthalten. Beispiel: das Kaon. Es können aber auch doppelt seltsame Teilchen vorkommen.
› Charm-Quark
- Gegenstück des Strange-Quarks
- Besitzt die Charm-Quantenzahl C = 1
- Die Charm-Quantenzahl war 1974 eingeführt worden, um das neu entdeckte J/Ψ-Mesonen in den Teilchenzoo einordnen zu können.
- Wurde 1970 vorhergesagt, 1974 erstmals künstlich erzeugt.
- Lebensdauer beträgt ungefähr 10-12 Sekunden
- Sie können sich nur über die „schwache Wechselwirkung“ in Strang-Quarks wandeln; daher haben Verbindungen mit Charme-Quarks eine relativ lange Lebensdauer
› Bottom-Quark (Beauty)
- Erstmals 1977 nachgewiesen
- Lebensdauer ca. 2•10-12
› Top-Quark (Truth-Quark)
- Schwerstes Quark
- Lebensdauer ca. 10-24
- Kommt in der Natur nicht vor