Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen
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Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen. g. u. u. g. g. d. Sebastian Frank. Für Neugierige von 15 bis 18 Jahren. Photon Lichtteilchen. g. Elektron. e -. Elementarteilchen: Übersicht. Was ist ein Elementarteilchen?.

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Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

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Presentation Transcript


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

g

u

u

g

g

d

Sebastian Frank

Für Neugierige von 15 bis 18 Jahren


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Photon

Lichtteilchen

g

Elektron

e-

Elementarteilchen: Übersicht

Was ist ein Elementarteilchen?

Elementar: Bis heute keine Zusammensetzung aus noch kleineren Teilchen gefunden (Atom nicht elementar!)

Quantentheorie:

Materie- und Kräfteteilchen haben sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter

„Welle-Teilchen Dualismus“

Beispiele:

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Elektronen bilden Atomhülle

im Alltag: Leuchtschirme

Fernseher = Beschleuniger

Elementarteilchen: Übersicht

Thomson (1897)

e-

Das Elektron

Masse: 0,511 MeV = 9,1 10-31 kg

Ladung: -1,6 10-19 C = -1e

1897

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

e-

Das Photon

Einstein

Planck

Compton

Elementarteilchen: Übersicht

Masse: 0 (masselos)

Ladung: 0 (neutral)

„Photoelektrischer Effekt”

Wichtiger Schritt Richtung

Quantenmechanik

1900-1924

1897

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

e-

p

Das Proton

Rutherford

Elementarteilchen: Übersicht

ist nicht elementar!

Masse: 938,3 MeV = ca. 1836 me

Ladung: +1e

Vorkommen: Atomkern

1914

1897

1900-1924

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Photonaustausch

g

Gebundener Zustand dank Elektromagnetismus

Elementarteilchen: Das Atom

Das Wasserstoffatom

e-

P+

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

< 10-18 m

10-14 m

10-10 m

Elementarteilchen: Das Atom

10-14 m

e-

e-

P+

e-

e-

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Elementarteilchen: Der Atomkern

Der Wasserstoffkern – das Proton

besteht aus zwei „up-Quarks“ und einem „down-Quark“!

P+

Elektrische Ladung 2/3

u

u

2/3

d

- 1/3

Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt!

Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen?

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

g

g

g

g

g

g

u

u

d

g

Elementarteilchen: Kräfte

Die starke Kraft (Kernkraft)

3 Farbladungen

8 Gluonen (Kraftteilchen)

(Farbe dient hier nur

als anschauliches Analogon)

Messbare Objekte sind farbneutral!

Es existieren somit keine freien Quarks

(Physik-Nobelpreis 2004)

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

u

Elementarteilchen: Zwillingspartner

Antiteilchen:

Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen,

aber umgekehrte Ladung

e-

e+

Elektron

Positron

u

up

anti-up

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

g

g

g

d

Drei Bindungsmöglichkeiten: (q q q) = (Proton, Neutron, …)

(q q q) = (Antiproton, Antineutron, …)

und (q q) = (Pionen, …)

Baryonen

Elementarteilchen: Zusammengesetze Teilchen

Pionp+

u

2/3

1/3

Hadronen

- Mesonen

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

besteht aus einem up Quark und zwei down Quarks

u

d

d

Elementarteilchen: Zusammengesetze Teilchen

Das Neutron

P+

2/3

- 1/3

- 1/3

u

d

+ ?

Es gibt Umwandlung von „up“- nach „down“-Quark …

2/3 = -1/3 + 1

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

W+

u

u

u

d

Neutron

Proton

d

d

e+

ne

Elementarteilchen: Kernfusion & schwache Kraft

Die schwache Kraft

Im Zentrum der Sonne wird Wasserstoff (= Proton) zu

Helium (zwei Protonen und zwei Neutronen) fusioniert.

Dadurch leuchtet sie. Doch wie funktioniert das im Detail?

Startprozess ist die Fusion von 2 Protonen zu Deuterium (Proton + Neutron).

Dabei wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und sendet ein W+-Boson (Vermittler der schwachen Kraft) aus, das in ein e+ und e-Neutrino zerfällt.

25‘

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Elementarteilchen: Kernfusion & schwache Kraft

Kernfusion in der Sonne

Proton-Proton-Reaktion

1H+ + 1H+ → 2H+ + e+ + ne + 0,42 MeV

ne

ne

Wegen schwacher Kraft passiert diese Reaktion sehr selten (nur alle 10 Milliarden Jahre!).

Durch große Anzahl von Protonen

im Sterninneren geschieht dies jedoch häufig genug.

Nach nur ca. 1,4 Sekunden:

2H+ + 1H+ → 3He2+ + g + 5,49 MeV

g

g

3He2+ +3He2+ → 4He2+ + 1H+ + 1H+ +

12,86 MeV

Dank der schwachen Kraft ist unsere Sonne so „langlebig“!

g

ne

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

W+

Z0

W-

Elementarteilchen: Schwache Kraft

Es gibt 3 Vermittlerteilchen der schwachen Kraft:

Sie sind sehr schwer (80 u. 91 GeV) und wurden daher

erst sehr spät entdeckt (1983 im CERN am SPS Ring)(Nobelpreis 1984 an S. van der Meer und C. Rubbia)

Was gibt es noch für Teilchen? …

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

µ-

Das Müon

  • Hess (1936)

  • Anderson

  • Neddermeyer

  • Street, Stevenson

e-

p

n

Elementarteilchen: Übersicht

Masse: 150,7 MeV

Ladung: -1e

Vorkommen: Höhenstrahlung

Instabil! (2 10-6 s)

Nachweis:

Funkenkammer!

1937

1914

1897

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

e-

p

n

µ

e+

K

Elementarteilchen: Teilchenzoo

Dann wurden in rascher Folge viele Teilchen entdeckt:

Charakteristika:

Hohe Masse, kurze Lebensdauer

Willis Lamb drückte in seiner

Nobelpreis-Ansprache 1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus:

„I have heard it said that the

finder of a new elementary

particle used to be rewarded by a Nobel Prize,

but such a discovery now ought to be punished

by a $10,000 fine.“

Lamb

1914

1947

1947-...

1932

1897

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

e-

p

n

u

u

µ

d

u

d

d

e+

K

Elementarteilchen: Lösung des Teilchenzoos

Auflösung des Rätsels kam 1969:

„Quantenchromodynamik“ (starke Kraft)

Alle neu gefunden, schweren Teilchen (Hadronen) bestehen aus Elementarteilchen, „Quarks“, welche

eine Farbladung tragen

Dadurch kommt Ordnung in das Chaos, das Standardmodell der Elementarteilchenphysik

entsteht …

Proton

Neutron

1914

1947

1947-...

1932

1897

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Antimaterie

u

c

t

-2/3

s

s

b

1/3

t

ne

m-

ne

nm

nt

nm

nt

0

d

t+

m+

t-

m-

e+

+1

c

3. Gen.

  • Gen.

2. Gen.

3. Gen.

2. Gen.

b

Das Standardmodell

Das Standardmodell der Elementarteilchen

Materie

u

2/3

d

-1/3

El. Ladung

ne

0

e-

-1

  • Gen.

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

g

g

g

g

W+

g

g

g

g

Z0

g

g

g

g

W-

Das Standardmodell

Kräfte

Starke

Kraft

Gluonen

Schwache

Kraft

W- u. Z-Bosonen

Elektromagnetische

Kraft

Photon

Gravitation – Graviton? extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften,

in Beschleunigerexperimenten vernachlässigbar

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Das Standardmodell

Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson.

Es verleiht den anderen Teilchen überhaupt erst Masse!

Es wurde allerdings noch nicht gefunden.

Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik.

Der Theoretiker Peter Higgs vor dem ATLAS- Detektor, der „sein“ Higgs-Teilchen finden wird

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Erweiterungen des Standardmodells

Das Higgs kann aber noch nicht alles sein … wird werden noch Unbekanntes entdecken müssen, da wir einiges noch nicht verstehen:

Woraus besteht die Dunkle Materie und Dunkle Energie?

Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?

Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte?

Gibt es eine allumfassende Symmetrie wie Supersymmetrie?

Gibt es verborgene Extra Dimensionen?

10‘

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Vom Mikroskop zum Beschleuniger

Wie kann man Elementarteilchen erforschen?

… mit dem Mikroskop?

sichtbares Licht (380-750nm)Wellenlänge = Auflösung

Wir brauchen viel stärke Auflösung!

Jedoch:Kurze Wellenlänge = hohe Energie

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Vom Mikroskop zum Beschleuniger

Wegen berühmter Formel E = mc2(d.h. Energie entspricht Materie)können bei sehr hoher Energie neue Teilchen entstehen!

Keine „passive“ Betrachtung von Materie mehr, sondern „aktive“ Erzeugung von Materieteilchen!

Durch Beschleunigung von Teilchen auf hohe Energien und anschließender Kollision können wir neue, noch unbekannte Teilchen erzeugen und studieren!

„Mini-Urknall“

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

Beschleuniger

Der Large Hadron Collider


Die geheimnisvolle welt der elementarteilchen

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