Das Standardmodell der Elemntarteilchenphysik - Physikzentrum ...
Das Standardmodell der Elemntarteilchenphysik - Physikzentrum ...
Das Standardmodell der Elemntarteilchenphysik - Physikzentrum ...
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<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong><br />
<strong>der</strong> <strong>Elemntarteilchenphysik</strong><br />
Jonas Koopmann<br />
Betreuer: Prof.Dr.M.Tonutti<br />
Mo<strong>der</strong>ene Methoden und Experimente <strong>der</strong> Teilchenphysik<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.1/36
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Übersicht<br />
Geschichte<br />
Entwicklung <strong>der</strong> Quantenfeldtheorie<br />
Eichtheorien - Quantenelektrodynamik<br />
Schwache Wechselwirkung<br />
Starke Wechselwirkung<br />
weiterführende Theorien<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.2/36
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Geschichtliche Einleitung<br />
Demokrit (ca. 460-400 v.Chr.)<br />
Atomtheorie (atomos = unteilbar)<br />
1897 Entdeckung des<br />
(Thomson)<br />
1911 Rutherford<br />
Atomkerndurchmesser<br />
Kern positiv geladen<br />
-Streuexperiment<br />
m<br />
Bohrsches Atommodell<br />
Entwicklung <strong>der</strong> Quantenmechanik durch Schrödinger,<br />
Heisenberg und an<strong>der</strong>e Mitte 1920er Jahre<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.3/36
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1930er Jahre<br />
Anfang <strong>der</strong> 30er Jahre experimentell nachgewiesen<br />
nur<br />
, und<br />
QM und Spezielle Relativitätstheorie<br />
relativistische Wellengleichungen<br />
Vorhersage von Antimaterie (Paul Dirac)<br />
1932 Nachweis des<br />
Strahlung<br />
1932 Entdeckung des<br />
(An<strong>der</strong>son) in kosmischer<br />
(Chadwick)<br />
1937 Nachweis des<br />
“Who or<strong>der</strong>ed that?”<br />
(An<strong>der</strong>son)<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.4/36
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Übersicht<br />
Geschichte<br />
Entwicklung <strong>der</strong> Quantenfeldtheorie<br />
Eichtheorien - Quantenelektrodynamik<br />
Schwache Wechselwirkung<br />
Starke Wechselwirkung<br />
weiterführende Theorien<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.5/36
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relativistische Feldgleichungen<br />
Quantenmechanik benutzt<br />
nichtrelativistische Beziehung<br />
Schrödingergleichung<br />
spezielle Relativitätsthoerie:<br />
Klein-Gordon-Gleichung<br />
Probleme:<br />
negative Energie<br />
negative Wahrscheinlichkeitsdichte<br />
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<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.6/36
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Dirac-Gleichung<br />
ist 4-komponentiger Dirac-Spinor<br />
spezielle 4X4 Matrizen<br />
Gleichung beschreibt Fermionen mit Spin 1/2<br />
positive Wahrscheinlichkeitsdichte aber immer noch<br />
negative Energie<br />
Lösung: Dirac-See für Fermionen, funktioniert aber<br />
nicht für Bosonen<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.7/36
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Quantenfeldtheorie QFT<br />
Feld durchdringt gesamten Raum, für jeden<br />
Raumpunkt ein Freiheitsgrad<br />
Feiheitsgrade<br />
unendlich viele<br />
Lagrangeformalismus funktioniert auch für Fel<strong>der</strong><br />
Variationsprinzip<br />
E.-L.-Feldgleichungen<br />
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relativistische<br />
Feldgleichungen bei richtiger Wahl von<br />
Quantisierung wie Harmon. Oszillator durch Postulat<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.8/36
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Störungstheorie<br />
QFTs mit Wechselwirkung können in Ordnungen <strong>der</strong><br />
Kopplungskonstanten<br />
Übergangsamplitude<br />
entwickelt werden<br />
T Abweichung von <strong>der</strong> Trivialität<br />
Streu- o<strong>der</strong> Feynman-Amplitude, bestimmbar mit<br />
Hilfe von Feynman-Diagrammen<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.9/36
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Feynman-Diagramme<br />
z.B. Bhabha-Streung in erster und zweiter Ordnung<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.10/36
Renormierung<br />
unendliche Terme durch Selbstwechselwirkung <strong>der</strong><br />
Teilchen<br />
Ende <strong>der</strong> 40er Jahre gelöst von Feynman und an<strong>der</strong>e durch<br />
Renormierung<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.11/36
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Übersicht<br />
Geschichte<br />
Entwicklung <strong>der</strong> Quantenfeldtheorie<br />
Eichtheorien - Quantenelektrodynamik<br />
Schwache Wechselwirkung<br />
Starke Wechselwirkung<br />
weiterführende Theorien<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.12/36
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Eichsymmetrie <strong>der</strong> QED<br />
globale Symmetrie<br />
Beispiel globale U(1)-Symmetrie des Dirac-Feldes<br />
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,<br />
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lokale Symmetrie liegt vor wenn<br />
U(1)-Symmetrie des Diracfeldes nicht lokal<br />
Eichfeld<br />
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wird eingeführt<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.13/36
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Quantenelektrodynamik QED<br />
invariant gegen<br />
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Physik des em-Feldes<br />
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Eichtransformation<br />
Minimale Substitution stellt Symmetrie wie<strong>der</strong> her<br />
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Langrangedichte <strong>der</strong> QED<br />
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<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.14/36
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QED<br />
in 50er und 60er Jahren<br />
Präzisionstests <strong>der</strong> QED<br />
z.B. Anomalie des magn.<br />
Moments des<br />
Theorie: 1,00115965532<br />
Experiment: 1,00115965218<br />
0,000000000004<br />
am besten bestimmte Naturkonstante überhaupt<br />
herausragen<strong>der</strong> Erfolg <strong>der</strong> renormierbaren<br />
Eichsymmetrie Maßstab für jede neue QFT<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.15/36
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Übersicht<br />
Geschichte<br />
Entwicklung <strong>der</strong> Quantenfeldtheorie<br />
Eichtheorien - Quantenelektrodynamik<br />
Schwache Wechselwirkung<br />
Starke Wechselwirkung<br />
weiterführende Theorien<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.16/36
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Neutrinos<br />
-Zerfall<br />
kont. Energiespektrum und Drehimpulserhaltung<br />
Neutinohypothese (W.Pauli 1931)<br />
-Nachweis gelingt erst 1953 (Cowan & Reines)<br />
Wirkungsquerschnitt<br />
2 verschiedene Neutrinos<br />
Leptonzahlerhaltung<br />
nicht beobachtet<br />
Neutrinooszillationen ??<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.17/36
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Fermitheorie<br />
1934 Enrico Fermi<br />
4-Teilchen-WW an einem Punkt ohne Austausch<br />
eines WW-Teilchens<br />
dimensionsbehaftete Kopplungskonstante<br />
steigt linear mit<br />
-Energie und wird viel zu groß<br />
Probleme können durch Einführung eines<br />
WW-Teilchens großer Masse gelöst werden.<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.18/36
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C- und CP-Verletzung<br />
1953 Experiment zur P-Symmetrie (Raumspiegelung)<br />
B-Feld und extrem tiefe Temperatur (T < 0,01 K)<br />
Ergebnis:<br />
bevorzugt in eine Richtung emittiert<br />
P-Symmetrie maximal verletzt<br />
schwache Kraft wirkt nur auf linkshändige Teilchen<br />
bzw. rechtshändige Antiteilchen<br />
1964 Experiment mit<br />
-Mesonen<br />
auch CP-Symmetrie ist nicht genau erhalten<br />
CP-Symmetrieverletzung ist kleine Störung im SM<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.19/36
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GWS-Theorie<br />
1967/68 Glashow, Weinberg und Salam: Theorie <strong>der</strong><br />
Elektroschwachen WW mit Symmetriegruppe<br />
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und Singulett<br />
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massiven Vektor-Bosonen<br />
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beobachtbare Bosonen sind Mischung von<br />
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<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.20/36
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Spontane Symmetriebrechung SSB<br />
Masse <strong>der</strong> intermediären Vektorbosonen entstehen<br />
durch Spontane Symmetriebrechung<br />
tritt auf z.B.<br />
bei Ferromagnet<br />
a)<br />
b)<br />
Prinzip angewendet auf<br />
Massenterme für die Vektorbosonen<br />
erfor<strong>der</strong>t Existenz des massiven Higgsbosons, dessen<br />
Masse freier Parameter <strong>der</strong> Theorie ist<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.21/36
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Verifikation <strong>der</strong> GWS-Theorie<br />
1971 Renormierung<br />
durch t’Hooft<br />
Existenz des<br />
neutrale Ströme<br />
1973 am CERN entdeckt<br />
1983 Nachweis <strong>der</strong> ersten Vektorbosonen<br />
LEP-Ergebnisse:<br />
Gev<br />
Gev<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.22/36
Z-Resonanz<br />
Es gibt genau 3<br />
leichte Leptonfamilien.<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.23/36
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Übersicht<br />
Geschichte<br />
Entwicklung <strong>der</strong> Quantenfeldtheorie<br />
Eichtheorien - Quantenelektrodynamik<br />
Schwache Wechselwirkung<br />
Starke Wechselwirkung<br />
weiterführende Theorien<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.24/36
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Starke Wechselwirkung<br />
1935 Yukawa-Theorie<br />
Reichweite von<br />
= 140 Mev<br />
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1947<br />
1950<br />
-Nachweis in kosmischer Strahlung<br />
im Beschleuniger<br />
50er Jahre Beschleunigerexperimente<br />
Teilchenzoo, viele Resonanzen<br />
normale Lebensdauer einer Resonanz<br />
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<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.25/36
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Seltsamkeit<br />
seltsame Teilchen Lebensdauer<br />
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starker Isospin T + Seltsamkeit S<br />
-Symmetrie<br />
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<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.26/36
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Quarks<br />
1961 Voraussage<br />
, wurde 1962 nachgewiesen<br />
1964 Quarkhypothese (Gell-Mann, Zweig)<br />
drittelzahlige Ladungen und Baryonzahl<br />
Quark<br />
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<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.27/36
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Quantenchromodynamik<br />
1964 Farbquantenzahl r g b (Greenberg) wegen<br />
Pauliprinzip<br />
nur Farbsingletts d.h. farblose Teilchen existieren<br />
erlaubt<br />
nicht erlaubt<br />
QCD ist Eichtheorie <strong>der</strong><br />
Eichfel<strong>der</strong> <strong>der</strong> 8 masselosen Gluonen übertragen WW<br />
Gluonen können selbstwechselwirken<br />
Glueballs<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.28/36
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Quantenchromodynamik<br />
asymptotische Freiheit<br />
starke Kraft nimmt mit kleinerem Abstand ab<br />
Confinement: Quarks sind eingesperrt<br />
keine einzelnen Quarks beobachtbar<br />
Störungstheorie nicht anwendbar<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.29/36
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<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.30/36<br />
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Der Farbfaktor<br />
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Teilchen des <strong>Standardmodell</strong>s<br />
, , ,<br />
Higgsboson ?<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.31/36
offene Fragen<br />
Vereinigung mit Gravitiation<br />
Vereinigung von starker und schwacher Kraft<br />
Existenz des Higgsbosons<br />
Warum 3 Fermionfamilien?<br />
Neutrinooszillationen<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.32/36
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Übersicht<br />
Geschichte<br />
Entwicklung <strong>der</strong> Quantenfeldtheorie<br />
Eichtheorien - Quantenelektrodynamik<br />
Schwache Wechselwirkung<br />
Starke Wechselwirkung<br />
weiterführende Theorien<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.33/36
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Grand Unified Theory GUT<br />
-Symmetrie<br />
vereinigt starke und elektroschwache Kräfte<br />
12 neue X-Bosonen mit<br />
Gev<br />
erklärt Neutrinooszillationen<br />
-Zerfall<br />
Theorie:<br />
Kamiokande:<br />
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überein<br />
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<strong>der</strong> Theorie stimmt nicht mit Messungen<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.34/36
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Supersymmetrie SUSY<br />
Fermionen haben SUSY Boson-Partner<br />
Bosonen haben SUSY Fermion-Partner<br />
noch keine SUSY-Teilchen beobachtet<br />
SUSY-Teilchen schwer<br />
gebrochene Symmetrie<br />
Vereinigung mit Gravitiation möglich<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.35/36
...Ende<br />
<strong>Das</strong> <strong>Standardmodell</strong> – p.36/36
Change language