Ein%20Universum%20voller%20Teilchen%20Einf

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Ein Universum voller TeilchenEinführung in die
Elementarteilchenphysik
SchülerforschungstageHands on Particle Physics
Dr. Angela Fösel, Physikalisches Institut,
Didaktik der Physik,FAU Erlangen

• Unter Verwendung von Unterlagen von
• Dr. Martin zur Nedden (HU Berlin)
• Univ.-Prof. Dr. Leopold Mathelitsch (Universität
  Graz)
• Dr. Nick Evans (University of Southampton)
• Dr. Bill Murray (Rutherford Appleton Laboratory)
• Prof. Dr. Michael Kobel (Universität Bonn)
• Verena Klose (TU Dresden)

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Gliederung

• Motivation
• Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen
• Zusammenfassung und Ausblick

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Motivation

• Motivation
• Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen
• Zusammenfassung und Ausblick

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Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen

• Motivation
• Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen
• Zusammenfassung und Ausblick

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Woraus ist die Welt, woraus sind wir selbst
gemacht?
Gedanken der griechischen Philosophen
Demokrit (um 460-371 v. Chr.) et al. Materie
besteht aus unteilbaren, kleinen Bausteinen
átomos (?t?µ??) unteilbar.
Aber auch Aristoteles (um 384-322 v. Chr.) et
al. Der Raum ist kontinuierlich mit Materie
ausgefüllt.
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Die Materie ist körnig, aus Bausteinen
aufgebaut!
Empirische Hinweise auf atomare Struktur der
Materie erst im 18. Jahrhundert
Elemente verbinden sich in immer gleichen
Massenverhältnissen
Joseph-Louis Proust (französischer Chemiker,
1754-1826) et al. Gesetz der konstanten
Proportionen
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Die Materie ist körnig, aus Bausteinen
aufgebaut!

• Die erste naturwissenschaftlich begründete
  Vorstellung von kleinsten Materieteilchen ist zu
  Beginn des 19. Jahrhunderts von John Dalton
  (englischer Naturforscher und Lehrer, 1766-1844)
  entwickelt worden .

• Daltons Atomhypothese (1803)
• Materie besteht aus kleinsten kugelförmigen
  Teilchen oder Atomen.
• Diese Atome sind unteilbar und können weder
  geschaffen noch zerstört werden.
• Alle Atome eines chemischen Elements sind
  untereinander gleich, sie unterscheiden sich nur
  in der Masse von Atomen anderer Elemente.
• Diese Atome können chemische Bindungen eingehen
  und aus diesen auch wieder gelöst werden.
• Das Teilchen einer Verbindung wird aus einer
  bestimmten, stets gleichen Anzahl von Atomen der
  Elemente gebildet, aus denen die Verbindung
  besteht.

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Die Materie ist körnig, aus Bausteinen
aufgebaut!
Temperatur und Druck in Gasen lassen sich
veranschaulichen durch bewegte Teilchen.
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Die Materie ist körnig, aus Bausteinen
aufgebaut!
Schlussfolgerungen sind indirekt. Kann man
Teilchen sichtbar machen?
Ja
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Wie kann man kleine Teilchen sehen ? Das
Prinzip eines Streuversuchs

• Wollen wir herausfinden, was sich im Innersten
  der Materie abspielt, ob die kleinsten Bausteine
  unserer Welt womöglich aus noch kleineren
  zusammengesetzt sind, so lassen wir zwei Teilchen
  zusammenprallen und sehen uns an, was bei der
  Kollision passiert.
• Je energiereicher die Projektile, desto mehr
  verraten sie über den Aufbau des Objekts
• Aus der Ablenkung der Bälle kann man auf die
  Form des Sacks schließen die Pfeile lassen die
  Kugeln in seinem Inneren erkennen die
  hochenergetischen Geschosse lassen die Kugeln
  zerplatzen und offenbaren so deren innere
  Struktur.

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Wie kann man kleine Teilchen sehen ? Der
Streuversuch von Rutherford
Ernest Rutherford (Neuseeländer, 1871-1937)
untersucht die Struktur der Atome durch
Streuversuche.
Rutherford Applet. Aus http//micro.magnet.fsu.e
du/electromag/java/rutherford/ (18.3.2007)
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Rutherfords Atommodell
10-14 m
10-10 m
Schematische Darstellung des Atoms. Nicht
maßstäblich. Aus www.wikipedia.de. (18.3.2007)
Kern Atom 1 10 000 ? Das Atom ist leer !
Und das Atom ist nicht unteilbar! Es besteht
aus Elektronen und aus dem Kern.
Und voraus bestehen die?
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Der Aufbau der Materie aus kleinsten Teilchen
1/10.000
Stecknadelkopf 10-3 m 0,001 m
Elektron, Quark lt10-18 m 0,000000000000000001
m
punktförmig?
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Aber das ist nicht alles

• Das Elektron hat einen Freund, das
  Elektron-Neutrino ?e.
• (theoretisch vorhergesagt 1931 experimentell
  nachgewiesen 1953)
• Dieses Teilchen wird gebraucht, um Energie- und
  Impulserhaltung im so genannten ß-Zerfall zu
  gewährleisten
• n ? p e ?e
• Steckbrief
• keine elektrische Ladung,
• (nahezu) masselos,
• schwach wechselwirkend 999 999 999 von 1 000
  000 000 Neutrinos schaffen Erddurchquerung
• Übrigens Die Sonne ist eine riesige
  Neutrino-Fabrik! (?schwacheWechselwirkun
  g)

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Gewöhnliche Materie 1. Generation
elementarer Teilchen
Proton uud Neutron udd
Atom
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Teilchengenerationen
Warum drei Generationen?
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Bauplan für Hadronen ? Baryonen und Mesonen
Es existieren nur farblose Kombinationen!! ?
Mesonen (Rot Anti-Rot Weiß)
Anti-Rot Cyan
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Die Struktur der Materie
Die Materie ist aus Bausteinen aufgebaut, die
Vielfalt der Natur entsteht durch Zusammensetzen
von Elementarem!
Die kleinsten Teilchen sind winzig oder haben
keine Ausdehnung,
der Raum ist leer.
Warum wirkt Materie z.B. ein Tisch dann
massiv?
Die Teilchen üben Kräfte aufeinander aus!
Frage
Was sind die Kräfte, die die Welt im Innersten
zusammenhalten?
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Die fundamentalen Kräfte in der Natur
Gravitation
elektromagnetische Kraft
starke Kraft
schwache Kraft
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Die fundamentalen Kräfte in der Natur
Gravitation

• Gravitative Wechselwirkung - die Wechselwirkung
  zwischen Massen
• Sie hält unsere Füße auf dem Boden und die
  Planeten auf ihren Bahnen.

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Die fundamentalen Kräfte in der Natur
elektromagnetische Kraft

• Elektromagnetische Wechselwirkung - die
  Wechselwirkung zwischen ruhenden und bewegten
  Ladungsträgern
• Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen
  Elektronen und Atomkernen ist für alle bekannten
  chemischen und physikalischen Eigenschaften
  gewöhnlicher Festkörper, Flüssigkeiten und Gase
  zuständig.

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Die fundamentalen Kräfte in der Natur
starke Kraft

• Starke Wechselwirkung - die Wechselwirkung
  zwischen Kernbausteinen
• Sie hält Protonen und Neutronen im Atomkern
  zusammen und hat eine Reichweite von nur etwa
  10-15 m, so dass sie im alltäglichen Leben und
  selbst im Bereich eines Atoms (10-10 m) völlig
  untergeht.

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Die fundamentalen Kräfte in der Natur
schwache Kraft

• Schwache Wechselwirkung
• Sie hat eine so kurze Reichweite (10-17 m) und
  ist so schwach, dass sie wohl kaum irgendetwas
  zusammenhalten kann.
• Schwache Wechselwirkungen bilden den ersten
  Schritt der nuklearen Reaktionskette im Inneren
  der Sonne, bei der zwei Protonen verschmelzen, so
  dass ein Deuteriumkern, ein Positron und ein
  Neutrino entstehen.

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Prinzip von Kraftwirkungen
Quantenfeldtheorie WW zwischen Elementarteilchen
erfolgt als Austausch von Elementarteilchen
(Botenteilchen)!
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Einschub Eine neue Einheit für die Energie
1 ElektronVolt 1 eV1 KiloElektronVolt 1
keV 1000 eV1 MegaElektronVolt 1 MeV
1.000.000 eV 1 GigaElektronVolt 1 GeV
1.000.000.000 eV 1 GeV ist viel für ein
Teilchen, aber makroskopisch winzig1 GeV könnte
eine Taschenlampe (1,6 Watt) für
ganze0,000.000.0001 Sekunden zum Leuchten
bringen!
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Das Z-Boson

• eines der drei Botenteilchen der schwachen
  Wechselwirkung
• elektrisch neutral
• kann zerfallen in
• Neutrino-Antineutrino-Paare
• Quark-Antiquark-Paare
• Elektron-Positron-Paare, µµ- -Paare, tt- -Paare
• unbekannte Teilchen? (leichter als die halbe
  Z-Masse)

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Was ist eine Zerfallsbreite?

• Heisenberg'sche Unschärferelation ?E x ?t h/2p
• Jedes instabile Teilchen hat eine
  Energieunschärfe, die sich als Massenunschärfe
  bemerkbar macht.
• Beispiel W-Boson
• Punkte Daten
• farbige Flächen
  theoretische
  Modelle

Masse
Breite
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Die Zerfälle des Z-Bosons

• Z-Boson
• Zerfallsbreite 2.5 GeV
• Lebensdauer 10-25 s
• Analogie Wassereimer
• Je mehr Löcher der Eimer hat, desto schneller ist
  er leer.
• Je größer ein Loch ist, desto mehr Wasser fließt
  dadurch hinaus.
• Die Löcher entsprechen Zerfallskanälen.

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Zusammenfassung und Ausblick
Systematik ? Symmetrien
Warum 3?
3 Familien von Quarks und Leptonen
Botenteilchen ?, W?, Z0, 8 Gluonen, Graviton
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Zusammenfassung und Ausblick
Die Teilchen in den drei Familien unterscheiden
sich nur in ihrer Masse. Schöne Symmetrie, wenn
alle Teilchen keine Masse hätten. Warum haben die
Teilchen Masse?
Antwort der Theoretiker Das Higgs-Teilchen
gibt allen Teilchen Masse.
Wie kann man das verstehen???? Das Higgs-Teilchen
muss erst noch gefunden werden .
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Dankeschön fürs Zuhören!