Auf der Suche nach den kleinsten Dingen - Theoretische Physik 1 ...

Auf der Suche nach den kleinsten Dingen - 

Die Entdeckung der Elementarteilchen 

Öffentlicher Abendvortrag 

von Siegmund Brandt 

Fachbereich Physik der Universität Siegen 

20. Juni 2000 

1

Historische Vorbemerkungen 

Naturbeschreibung und Naturerkenntnis 

war und ist ein wichtiges Ziel der Menschen in allen Kulturen 

Objekte der Naturbeschreibung 

! handgreifliche Größe: Menschen, Tiere, Pflanzen, Mineralien ... 

! ganz große: Sternhimmel, d.h. Astronomie 

! ganz kleine: Aufbau der Materie, d.h. Elementarteilchenphysik 

2

Vorstellungen im klassischen Griechenland 

Astronomie (nach Anaximander) 

Die Planeten (zu denen auch Sonne und Mond gezählt wurden) und die Fixsterne sind auf 

Kugeln aus durchsichtiger Materie angebracht, in deren Mitte sich die Erde befindet. Die 

Durchmesser der Kugeln verhalten sich zueinander wie die Tonhöhen in musikalischen 

Harmonien, 

z.B. 1 : 2 : 3 : 4 : 8 : 9 : 27 (Platon) 

Materie (nach Demokrit) 

! Es gibt nur wenige Grundsubstanzen (Elemente). 

! Die Materieformen sind entweder die reinen Elemente oder Mischungen aus Elementen. 

! Die Elemente sind Erde, Wasser, Feuer, Luft. 

! Die Elemente bestehen aus Atomen, kleinsten unteilbaren Bausteinen. 

! Die Atome der 4 Elemente haben die Formen der 4 einfachsten Körper der 

Geometrie: Kugel, Würfel, Tetraeder, Oktaeder. 

! Sie sind durch Häkchen miteinander verbunden. 

Beiden Bildern (dem vom Sternhimmel und dem von der Materie) ist gemeinsam: 

Versuch der Beschreibung durch mathematische Symmetrien. 

Sie werden aber nicht aus der Beobachtung des Naturobjekts abgelesen, sondern aus anderen 

Quellen (Musik, Geometrie) entnommen. Damit bleiben diese Vorstellungen 3 

reine Spekulationen.

Beginn der modernen Naturwissenschaft 

im 16. Jahrhundert, ist gekennzeichnet durch 

● sorgfältig geplante Experimente und Beobachtungen 

● mathematische Beschreibung auf der Grundlage der Meßergebnisse 

● Vorhersagekraft der gefundenen Beschreibungen für weitere 

Experimente 

Galilei (1564-1642) 

Kepler (1571-1630) 

Newton (1643-1727) 

Planet 

Schwerkraft 

erforscht die Schwerkraft 

findet präzise Gesetze zur Planetenbewegung 

formuliert die Gesetze der Mechanik. 

Er kann aus ihnen die Keplerschen Gesetze 

berechnen, wenn er als Kraft zwischen Sonne 

und Planeten die Schwerkraft annimmt. 

Sonne 

Bahn des Planeten 

4

Atome - Ergebnisse chemischer Experimente 

Elemente und Verbindungen 

Nicht weiter zerlegbare Substanzen sind Elemente, 

z.B. Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Sauerstoff (O) 

Elemente bilden Verbindungen. 

Atomhypothese 

Elemente bestehen aus völlig gleichwertigen Atomen. 

Verbindungen bestehen aus Molekülen, die nach gleichem Bauplan aus Atomen 

aufgebaut sind, denn bei Bildung von Verbindungen binden sich die 

Elemente in festen Massenverhältnissen. 

Beispiel: In Wasser ist das Massenverhältnis von Wasserstoff zu 

Sauerstoff 2:16, in Wasserstoffsuperoxid 2:32 

Atomare Massenzahl (früher: Atomgewicht) 

Aus diesen Massenverhältnissen läßt sich die Masse m jedes Atoms durch die Masse 

m H 

des Wasserstoffatoms ausdrücken: m = A m H 

Beispiele: A H 

= 1, A C 

= 12, A N 

= 14, A O 

= 16, ... 

5

Periodisches System der Elemente 

Zuerst aufgestellt 1869 von Mendeléev, ordnet Elemente nach atomarer Massenzahl 

und chemischer Ähnlichkeit. 

6

Atome - Ergebnisse physikalischer Experimente 

Experiment 

Ein Gas in einem Gefäß verhält sich, als ob es aus einer großen Zahl kleinster starrer 

Kugeln bestünde, die miteinander und mit den Gefäßwänden Stöße ausführen. 

Bei Wärmezufuhr wächst 

Volumen. (Deckel hebt sich) 

Bei stärkerem Rütteln (Energiezufuhr) 

steigt Volumen. 

Kinetische Gastheorie 

Die mittlere Energie der Atome (oder Moleküle) des Gases ist proportional zur 

(absoluten) Temperatur. 

Avogadrosche Zahl 

(oder Loschmidtsche Zahl, weil zuerst von Loschmidt bestimmt) 

In A Gramm eines Elements der atomaren Massenzahl A (z.B. 1 g Wasserstoff oder 

12 g Kohlenstoff) befinden sich N A 

= 6,022 ⋅ 10 23 Atome. 

Damit hat das Wasserstoff-Atom die Masse m H 

= 1,673 ⋅ 10 -27 kg 

7

Atome - Optische Spektren 

Spektralanalyse (Bunsen und Kirchhoff 1860) 

Wenn Elemente stark erhitzt werden (z.B. in der Bunsenflamme, senden sie Licht 

charakteristischer Farben (Wellenlängen) aus, die als Spektren gemessen werden 

können. 

Bei höherer Auflösung: zwei gelbe Linien 

Natrium 

Wasserstoff 

Helium 

Rot: Wellenlänge groß 

Blau: Wellenlänge klein 

Neon 

Da Licht eine Wellenerscheinung ist, müssen die Atome bei deren Aussendung 

irgendwie „schwingen“ (wie eine Gitarrensaite bei der Aussendung von Schallwellen). 

Atome können keine starren Kugeln sein. 

8

Atome - elektrisch neutral und geladen 

Stromtransport in Flüssigkeiten, Elektrolyse (Faraday 1833) 

Beim elektrischen Strom in Flüssigkeiten 

tritt Ladungstransport und 

Materietransport auf: 

Die Atome oder Moleküle sind 

elektrisch geladen. Die kleinste 

Ladungsmenge ist die 

Elementarladung: e = 1,602 ⋅ 10 -19 

Coulomb 

Geladene Atome heißen Ionen. Sie tragen 

eine oder mehrere (positive oder negative) 

Elementarladungen. 

An den Elektroden (den Metallplatten in der Flüssigkeit, die mit der Spannungsquelle 

verbunden sind) treten die Atome oder Moleküle ungeladen auf, 

z.B. als metallisches Kupfer. 

9

Experiment zu Gasentladung 

Zur Pumpe 

Bei Normaldruck fließt kein Strom. 

Bei Druckerniedrigung setzt Stromfluß und Leuchterscheinung zwischen den Elektroden ein. 

Bei weiterer Druckminderung geht das Leuchten zurück. Durch Löcher in den Elektroden treten 

Kathodenstrahlen und Kanalstrahlen in die äußeren Teilräume ein. Sie bringen das Gas auf 

ihrem Weg zum Leuchten. 

Kathodenstrahlen: Elektrisch negativ geladen. Magnetisch leicht ablenkbar. Erzeugen 

Leuchtfleck auf Glas, von dem auch Röntgenstrahlung ausgeht. (Wurde in ähnlichem 

Experiment 1896 von Röntgen entdeckt. 

Kanalstrahlen: Positiv geladen. Nur durch starkes Magnetfeld ablenkbar. 

10

Geladene Teilchen in Feldern 

F ! e 

E ! 

! ! 

(Kraft in Richtung des Feldes) 

F ! F e = QE 

m 

v ! B ! 

! ! ! 

F m 

= Qv × B 

Kraft auf Teilchen der Ladung Q im elektrischen Feld 

Kraft auf Teilchen mit Geschwindigkeit im magnetischen Feld 

(Kraft senkrecht zur Geschwindigkeit und senkrecht zum Feld) 

Energiegewinn im elektrischen Feld 

Wegen der Richtung der Kraft geschieht Übertragung von Energie auf Teilchen nur im 

elektrischen Feld. Bei Durchlaufen der elektrischen Spannung U gewinnt ein Teilchen 

mit der Ladung Q die Energie 

E = Q U 

Beispiel: Für Q = e, U = 1V ist E = 1 eV = 1 Elektronenvolt = 1,602 ⋅ 10 -19 Ws 

1 MeV = 1 Million Elektronenvolt, 1 GeV = 1 Milliarde Elektronenvolt 

11

Entdeckung des Elektrons 

1897 stellten Wiechert, Kaufmann und J.J. Thomson unabhängig voneinander 

durch Vermessung des Einflusses von elektrischen und magnetischen Feldern 

auf Kathodenstrahlen fest: Kathodenstrahlen bestehen aus Teilchen der Masse 

1 

m e 

≈ m H , 

2000 

wenn man annimmt, daß sie die Ladung -e besitzen. Diese Teilchen erhielten 

den Namen Elektronen. 

Ergebnis: Das Atom kann zerlegt werden. Eines seiner Bausteine ist das 

Elektron. Seine Masse ist nur etwa 1/2000 der Masse des leichtesten 

Atoms. 

Kanalstrahlen sind positiv geladene Ionen, d.h. Atome oder 

Moleküle, denen ein oder mehrere Elektronen fehlen. 

12

Thomsons Apparatur 

R 

= 

m 

| e | 

v 

B 

⊥ 

Joseph J. 

Thomson 

(1856 - 1940) 

Nobelpreis 1906 

Fadenstrahlrohr

Elektronenleitung im Metall. Glühemission 

Freies Elektronengas 

Kristalle sind ein räumliches Netzwerk (Gitter) aus regelmäßig angeordneten 

Atomen. In Metallkristallen gibt es Elektronen, die sich wie ein 

Gas durch das ganze Gitter bewegen können. Sie bewirken den 

Ladungstransport (elektrischen Strom), scheinbar ohne Transport von 

Materie. 

Glühemission 

Durch Heizung eines 

Metalldrahtes erhalten 

Elektronen so viel 

Energie, 

daß sie den Draht verlassen 

können. Man kann 

sie dann beschleunigen, 

ablenken usw. 

Beispiel: Fernsehröhre 

14

Ionisation und Anregung von Atomen durch 

geladene Teilchen 

sind Grundlage für den Bau von Nachweisgeräten (Teilchendetektoren) 

Elektronen oder Ionen zerlegen 

beim Durchlaufen von Materie 

die Atome in Elektronen und 

Ionen (Ionisation) oder regen sie 

zum Leuchten an (Anregung). 

Das ausgestrahlte Licht kann 

entweder direkt beobachtet 

werden 

(z.B. Leuchtschirm der Fernsehröhre), 

photographisch registriert 

oder elektrisch verstärkt und 

registriert werden. 

Prinzip eines Zählrohres: 

Teilchen ionisiert Gas im Zählrohr. 

Elektronen laufen zum zentralen Draht. In 

dessen Nähe ist Feld so hoch, daß eine 

Ionisationslawine einsetzt. Damit bewirkt der 

Durchgang eines Teilchens, daß sehr viele 

Elektronen auf den Draht gelangen und dort 

einen elektrischen Impuls auslösen. 

15

Plancksches Wirkungsquantum. Photon 

1900 

Planck führt (zur Beschreibung der Strahlung des „schwarzen 

Körpers“ eine neue Naturkonstante ein, das Plancksche 

Wirkungsquantum 

Max Planck 

(1858 - 1947) 


1905 

h = 6,626 · 10 -34 Js 

Albert Einstein 

(1879 - 1955) 


Einstein stellt die Lichtquantenhypothese auf: 

Licht der Wellenlänge λ besteht aus Quanten (Photonen) der 

Ruhmasse 

m = 0 

und der Energie 

E = h ν . 

Dabei ist ν = c / λ die Frequenz des Lichtes und c = 3 · 10 8 m/s 

die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. 

16

Lichtelektrischer Effekt 

1916 

Millikan bestätigt die Lichtquantenhypothese experimentell durch 

Präzisionsmessungen zum lichtelektrischen Effekt. 

Robert A. Millikan 

(1868 - 1953) 


Bei Bestrahlung einer Metalloberfläche 

mit Licht der Wellenlänge λ , d.h der 

Frequenz ν = c / λ , werden aus dem 

Metall Elektronen der Energie E h 

ausgelöst. Sie bewirken einen Strom, es 

sei denn es wird eine Gegenspannung 

angelegt, die größer als 

hν 

−W 

= 

e 

( ν −ν 

) 

ist. Dabei ist W eine für das Metall 

charakteristische Konstante. 

h 

U s 

0 

= 

e 

= ν −W 

17

Radioaktivität 

1896 

Becquerel entdeckt die Radioaktivität: 

Uran-Verbindungen schwärzen die Photoplatte und 

ionisieren die Luft 

Antoine H. Becquerel 

(1852 - 1908) 


Dabei treten drei Arten von Teilchen („Strahlung“) 

auf: 

α - Teilchen : Helium-Ionen 

der Ladung 2e 

β - Teilchen : Elektronen 

(Ladung -e) 

γ - Teilchen : energiereiche Photonen 

(ungeladen) 

18

Nebelkammer 

1911 

Wilson entwickelt die Nebelkammer. In überhitztem Dampf 

hinterlassen geladene Teilchen Spuren aus Tröpfchen. 

C.T.R. Wilson 

(1869 - 1959) 


Nebelkammerbild der Spuren von α-Teilchen 

19

1905 

Ausgehend von dem Befund, daß die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in 

jedem Bezugssystem den gleichen Wert 

c = 2,998 · 10 8 ms -1 

hat, gibt Einstein die Beziehung 

Spezielle Relativitätstheorie 

E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 

an. Dabei sind 

E Energie 

p Impuls 

m Ruhmasse 

eines Teilchens. 

Für ein ruhendes Teilchen (p = 0) gilt E = m c 2 bzw. m = E / c 2 

Weitere Einheit der Masse: 1 eV / c 2 . Masse des Elektrons 0,5 MeV / c 2 

20

Energiequelle der Radioaktivität 

Einstein vermutet, daß diese Energie-Massen-Beziehung das Auftreten 

energiereicher Teilchen in der Radioaktivität erklärt: 

Beim Zerfall eines ruhenden Teilchens der Masse M in zwei Teilchen 

der Massen m 1 und m 2 wird die Massendifferenz 

∆ M = M - (m 1 + m 2 ) 

in Bewegungsenergie 

∆ E = ∆ M c 2 

der Zerfallsteilchen umgewandelt. 

M 

m 1 

m 2 

α-Teilchen besitzen Energien von 

ca. 5 MeV (Millionen Elektronenvolt). 

21

Atomkern 

Elektronen tragen negative Ladung und 

nur ca. 1/2000 der Atommasse. 

Es lag nahe, anzunehmen, daß Masse 

und positive Ladung gleichmäßig über 

das Atom (Durchmesser ca. 10 -10 m) 

verteilt sind. 

Ernest Rutherford 

(1871 - 1937) 


1911 

Rutherford erklärt die 

in seiner Gruppe 

beobachtete 

sehr starke Ablenkung 

von α-Teilchen beim 

Durchgang durch 

Goldfolie dadurch, 

daß die positive 

Ladung und die Masse 

in einem sehr kleinen 

Atomkern konzentriert 

sind. 

Bahnen von α-Teilchen bei punktförmigem Kern 

22 

Bahnen bei ausgedehntem Atomkern

Schema eines Streu-Experiments 

energiereiche 

Teilchen 

Teilchennachweis 

Detektor 

Target (Materie) 

Teilchenquellen 

Radioaktivität 

Höhenstrahlung 

Teilchenbeschleuniger 

Teilchendetektoren 

Leuchtschirm, Szintillator 

Zählrohr 

Nebelkammer, Blasenkammer 

Photo-Emulsion 

elektronische Spurenkammer 

23

Niels Bohr 

(1885 - 1962) 


Atom-Modell von Bohr und Sommerfeld 

1913 

Bohr erklärt das Spektrum des Wasserstoff-Atoms: 

Das Atom hat einen Kern der Ladung +e. Um ihn kreist ein 

Elektron der Ladung -e. Es sind nur bestimmte Kreisbahnen 

„erlaubt“. 

Sie unterscheiden sich in der Hauptquantenzahl n = 1,2,3,... . 

Je kleiner n , desto niedriger die Energie. Beim Übergang 

zwischen zwei Bahnen wird ein Lichtquant mit der 

Differenzenergie emittiert oder absorbiert. 

1916 

Ellipsenbahnen aus 

Sommerfelds Lehrbuch 

Atombau und Spektrallinien 

Sommerfeld erweitert das Modell. Er „erlaubt“ auch 

verschiedene Ellipsenbahnen, die sich (bei gleichem n) durch die 

Drehimpuls-Quantenzahlen " und m unterscheiden. Der 

Bahndrehimpuls des Elektrons hat den Betrag 

L = " $ , " = 1,2, #, 

n. 

$ = h / 2π ist die kleinste Einheit des Drehimpulses. Die 

Quantenzahl m ( = −" , − " + 1, #,") 

gibt die Orientierung der 

Bahn im Raum an. 

24

Spin 

1925 

Goudsmit und Uhlenbeck erklären die „Feinstruktur“ der Spektren (z. B. 

die Aufspaltung der gelben Natriumlinie) dadurch, daß sie dem Elektron nicht 

nur einen Bahndrehimpuls, sondern auch einen Eigendrehimpuls oder Spin 

zuordnen. 

(Die Erde dreht sich auf ihrer Bahn um die Sonne. Zusätzlich dreht sie sich um 

sich selbst.) 

Der Betrag des Elektronenspins ist 

1 

S = $ 

2 

Er kann zwei Orientierungen haben, die durch 

1 

m s 

= ± 

2 

gekennzeichnet werden. 

25

Erklärung des Periodensystems. Pauli-Prinzip 

1913 

Bohr: Die Ordnungszahl Z eines Elements (Z H = 1, Z He = 2, Z Li = 3, Z Be = 4, ...) 

ist gleich der Zahl der Elektronen und gleich der Zahl der positiven 

Elementarladungen im Kern. 

1925 

Pauli: Es darf im Atom nicht zwei Elektronen geben, die in 

allen 4 Quantenzahlen n, l, m, m s übereinstimmen. 

Wolfgang Pauli 

(1900 - 1958) 


● Schale niedrigster Energie n = 1 , " = 0, m = 0. 

kann maximal 2 Elektronen 

1 

( m 1 

s 

= , 

2 

ms 

= − 

2) 

aufnehmen. 

H hat 1 Elektron. He hat 2. Nach He beginnt neue Zeile 

des Periodensystems mit Li. 

● Schale mit n = 2 kann maximal 8 Elektronen aufnehmen. 

Zweite Zeile hat 8 Elemente usw. 

26

um 1920 

Isotope 

J.J. Thomson und insbesondere sein Schüler Aston bestimmen 

die Massen von Kanalstrahlen (also positiven Ionen) und damit 

praktisch die Massen von Atomkernen durch deren Ablenkung im 

elektrischen und magnetischen Feld. 

F. W. Aston 

(1877 - 1945) 


Ergebnis: Alle Kerne eines Elements haben zwar die gleiche 

Kernladungszahl Z. Dabei gibt es gibt Kerne zu gleichem Z 

aber verschiedener atomarer Massenzahl A (Isotope). 

Beispiele: 

Uran (Z = 92): Isotope (neben anderen) mit A = 235, 238 

Wasserstoff (Z = 1): A = 1 (leichter, gewöhnlicher) Wasserstoff 

A = 2 schwerer Wasserstoff (Deuterium) 

A = 3 Tritium 

Annahme: 

Kern besteht aus A Protonen (Kerne des gewöhnlichen Wasserstoffs, Masse m H , 

Ladung +e) und A - Z Elektronen, hat dann Ladung Q = Ae + (A - Z)(-e) 27 = Ze.

Zwischenbilanz 1925 

Es gibt drei Teilchen 

Es gibt zwei Kräfte 

e Elektron 

p Proton 

γ Photon (Lichtquant) 

● Schwerkraft 

● Elektromagnetische Kraft 

(hält Atome zusammen, verantwortlich für 

alle Erscheinungen der Chemie) 

Offene Fragen: 

● Es gibt keine befriedigende Theorie („Quantenregeln“ über „erlaubte“ Bahnen 

sind nur Notlösung.) 

Antwort (noch 1925) : Quantentmechanik 

● Welche Kräfte wirken im Atomkern? (Elektrische Kräfte allein würden ihn 

platzen lassen.) 

Antwort (später) : Es gibt zwei weitere Kräfte. 

28

Quantenmechanik 

ersetzt Newtonsche Mechanik im atomaren Bereich 

Matrizenmechanik Wellenmechanik 

Werner Heisenberg 

(1901 - 1976) 


1925 

Heisenberg kann die 

Newtonsche Gleichung 

formal beibehalten, 

wenn er die in ihr 

vorkommenden 

Größen Ort und Impuls 

„umdeutet“. (Sie 

werden Matrizen.) 

Erwin Schrödinger 

(1887 - 1961) 


1926 

Schrödinger ersetzt 

Newtonsche 

Gleichung durch eine 

Wellengleichung 

(Schrödinger- 

Gleichung). 

● Die beiden Theorien erscheinen als ganz verschieden, sind aber mathematisch 

völlig gleichwertig. Sie kommen ohne künstliche Quantenbedingungen aus. 

● In beiden tritt als zentrale Größe das Plancksche Wirkungsquantum h auf. 

● Die herkömmliche Vorstellung von Ort und Impuls muß erweitert werden 

(Heisenbergsche Unschärfebeziehung). 

29

Relativistische Quantenmechanik 

1928 

Dirac verknüpft Quantenmechanik mit Relativitätstheorie. 

2 2 2 2 4 

Wegen E = p c + m c 

Paul A.M. Dirac 

(1902 - 1984) 


muß es Teilchen mit positiver und negativer Energie geben: 

1931 

2 2 

E = ± p c + 

m 

2 

c 

4 

. 

Dirac: Elektron (Ladung -e ) mit negativer Energie verhält sich 

wie Teilchen mit der Masse des Elektron, das positive Energie 

besitzt, aber die Ladung +e trägt, das Antiteilchen des Elektrons 

Er sagt die Existenz eines solchen Teilchens, 

des Positrons vorher. 

30

Positron 

1931 

Anderson entdeckt das Positron in einer 

Nebelkammer . 

Carl D. Anderson 

(1905 - 1991) 


Ein Teilchen mit den Eigenschaften eines 

Elektrons (geringe Tröpfchendichte der Spur) 

durchläuft die Nebelkammer von unten nach 

oben (Flugrichtung aus Energieverlust und damit 

Zunahme der Bahnkrümmung bei Durchquerung 

des Materials erschlossen). Aus Flugrichtung 

und Richtung der Bahnkrümmung im 

Magnetfeld folgt: 

positive Ladung . 

31

Quantenelektrodynamik (QED) 

Richard Feynman 

(1918 - 1988) 


ca. 1940-1950 

Feynman, Schwinger, Tomonaga u.a. entwickeln eine Theorie der 

Wechselwirkung von Ladungen und Photonen (elektromagnetische 

Wechselwirkung). Die (komplizierten) Formeln der Theorie lassen sich 

aus (einfachen) Feynman-Diagrammen ablesen, die die Bewegung der 

Teilchen im Raum (x) und Zeit (t) symbolisieren. 

Bremsstrahlung 

e - → e - + γ 

Paarbildung 

γ → e - e + 

Kraft zwischen geladenen 

Teilchen entspricht 

Austausch eines Photons 

Positron verhält sich 

wie ein rückwärts in 

der Zeit laufendes 

Elektron 

32

James Chadwick 

(1891 - 1974) 


Nachweis: 

Neutron 

1932 

Chadwick beobachtet ein neutrales Teilchen, das Neutron n , 

das beim Beschuß von Beryllium mit α-Teilchen gebildet wird, 

Die unbekannten Teilchen werden in einem gasgefüllten 

Zählrohr untersucht. Enthält es Wasserstoff, 

so entstehen hohe Signale. Die neutralen Teilchen 

haben offenbar etwa die Masse der Wasserstoff- 

Kerne (Protonen), stoßen sie an und diese ionisieren 

das Gas und lösen ein Signal im Zählrohr aus. 

α (A=4, Z=2) + Be (A=9, Z=4) = C (A=6, Z=6) + n 

Vor Stoß: Proton ruht 

n + p 

Nach Stoß: Neutron ruht (beinahe) 

n 

p 

+ 

Bei zentralem Stoß kann ein 

Neutron fast seine ganze 

Energie auf ein Proton 

übertragen, weil beide 

Teilchen fast die gleiche 

Masse haben. 

33

Starke Wechselwirkung 

Die Kraft, die beim Stoß Neutron-Proton wirkt, kann keine elektrische Ursache 

haben, denn das Neutron ist ungeladen. Man vermutet, daß diese neue Kraft der 

starken Wechselwirkung den Zusammenhalt des Atomkerns bewirkt. 

Neues Bild vom Atomkern: 

Kern der Ordnungszahl Z und Massenzahl A enthält 

Z Protonen, N = A - Z Neutronen . 

Obwohl die positiv geladenen Protonen sich abstoßen, hält die starke Wechselwirkung 

alle Nukleonen (gemeinsamer Name für Protonen und Neutronen) 

zusammen. 

Spin der Nukleonen: Nukleonen haben wie Elektronen den Spin 

1 

. 

Isospin: von Heisenberg eingeführt: Proton und Neutron sind zwei Zustände des 

gleichen Teilchens. Es kann zwei verschiedene Ladungen haben, so wie das 

Elektron zwei Orientierungen des Spins haben kann. 

Isospin 

Ausrichtung 

I 

= 

1 

2 

Spin 

1 

2 

analog zu 

I 

1 

Ausrichtung $ 

3 

= ± 

2 

S 

m s 

= 

2 

$ 

$ 

= ± 1 

2 

34

H. Yukawa 

(1907 - 1981) 


C.F. Powell 

(1903 - 1969) 


Mesonen 

1934 

Yukawa versucht, die starke Wechselwirkung 

durch Austausch eines Teilchens zwischen 

Nukleonen zu erklären. Wegen der kurzen 

Reichweite der starken Wechselwirkung muß 

dieses Teilchen eine Masse haben, die zwischen der 

Elektronen- und der Nukleonenmasse liegt. Es wird 

Meson genannt. 

1936 

Anderson entdeckt in der kosmischen Strahlung 

ein geladenes Teilchen in diesem Massenbereich. 

Es zeigt keine starke Wechselwirkung. Wird später 

Müon µ ± genannt. 

1947 

Powell und Ochialini entdecken in 

photographischer Emulsion die Spuren von stark 

wechselwirkenden, geladenen Mesonen (π- 

Mesonen oder Pionen). 

Erste Beobachtung eines Pion-Zerfalls in Emulsion. Beim Zerfall 

entsteht ein Müon. 

35

Neutrino - Schwache Wechselwirkung 

Beim β-Zerfall von Atomkernen geht scheinbar Energie verloren. Die 

nachgewiesenen Zerfallsprodukte haben weniger Energie als der Ausgangskern. 

Enrico Fermi 

(1901 - 1954) 


1930 

Pauli postuliert als Ausweg die Existenz eines zusätzlichen neutralen 

Teilchens ν , das später (Anti-)Neutrino genannt wurde. Es zeigt 

weder elektromagnetische noch starke, sondern nur schwache 

Wechselwirkung. Diese ist für den β-Zerfall typisch. Das Neutrino hat 

keine (oder nur sehr kleine Masse) und den Drehimpuls 

1 

$ . 

1933 

Fermi stellt eine erste Theorie der schwachen Wechselwirkung auf. 

Dabei treten Elektron und Neutrino 

paarweise auf. 

Beispiel: 

Zerfall des Neutrons 

n 

→ 

p 

e 

− 

ν 

n 

ν 

2 

p 

e - 

4-Fermion-Wechselwirkung 

36


4 Kräfte: 

Kraft Austauschteilchen Theorie 

elektromagnetische γ QED 

starke Meson Yukawa (vorläufig) 

schwache ? Fermi (vorläufig) 

(Schwerkraft) ? Einstein (vorläufig) 

Name Eigenschaften 

3 Teilchenarten: 

Hadronen Teilchen mit starker Wechselwirkung 

(Name erst 1962) (und weiteren Wechselwirkungen): 

Nukleonen, Mesonen und Antiteilchen. 

Leptonen Teilchen ohne starke aber mit schwacher 

Wechselwirkung (und ggf. elektromagnetischer 

Wechselwirkung: 

− − 

und Antiteilchen 

e 

, µ ,ν 

Photon hat nur elektromagnetische Wechselwirkung 

Offene Fragen: Theorien von Qualität der QED für andere Wechselwirkungen?_ 

Warum gibt es mehr Hadronen als Leptonen? 

Was ist das Müon? (Verhält sich wie schweres Elektron) 

37

Teilchenbeschleuniger 

Prinzip: 

Geladene Teilchen (Elektronen aus Glühkathode oder Ionen, z.B. Protonen aus 

Gasentladung), werden durch elektrisches Feld beschleunigt. 

Heute werden Energien bis ca. 1 TeV = 10 12 eV erreicht. 

Linearbeschleuniger: 

Energie wird in Teilschritten 

von vielen 

Beschleunigerstrecken, 

die hintereinander liegen, 

zugeführt. 

Ablenkmagnete 

Kreisbeschleuniger: 

Magnetfelder führen Teilchen auf Ringbahn. 

Beschleunigungsstrecken werden oft 

durchlaufen. 

38

1953 

Blasenkammer 

Glaser entwickelt die Blasenkammer: In einer überhitzten Flüssigkeit 

hinterläßt ein geladenes Teilchen eine Spur aus kleinen Blasen, die genau 

vermessen werden kann. 

Donald Glaser 

(1926- ) 


Beim Stoß eines Photons hinreichend hoher Energie 

mit einem Atomkern können ein Elektron und ein 

Positron entstehen. 

In diesem Blasenkammerbild kommt das Photon von 

rechts. Die Kammer befindet sich in einem Magnetfeld. 

Elektron und Positron hinterlassen Spuren mit 

verschiedenen Krümmungsvorzeichen. 

39

V-Teilchen 

1947 

Rochester und Butler entdecken 

neutrale und geladene Teilchen, die nach 

dem Erscheinungsbild, das ihr Zerfall in 

der Nebelkammer hinterläßt, „V“-Teilchen 

genannt werden. 

Heißen heute K 0 , K + . 

In der Folge werden weitere V-Teilchen 

entdeckt: 

K - , Λ 0 , Σ + , Σ - , Σ 0 . 

Ein neutrales Teilchen (K 0 ) (das 

keine Spur hinterläßt) zerfällt in 

zwei geladene Teilchen (π + , π - ), 

deren Spuren in der Nebelkammer 

vom Zerfallspunkt ausgehen und ein 

„V“ bilden. 

40

Neue Hadronen 

Ab ca. 1950 werden viele weitere Hadronen 

entdeckt: 

● Antinukleonen 

● Resonanz-Teilchen, die nach sehr kurzer 

Zeit (ca. 10 -23 sec) stark in andere 

Hadronen zerfallen, z.B. 

● „seltsame“ Teilchen, die nach sehr viel 

längerer Zeit (ca. 10 -10 sec) schwach 

in andere Hadronen zerfallen; dazu gehören 

auch die V-Teilchen, 

K 

→ π 

+ 

π 

− 

Λ 

→ 

pπ 

Man findet, daß sie in Paaren erzeugt 

werden, z.B. 

π 

0 

− 

ρ 

p 

0 

→ π 

→ 

K 

+ 

, 

π 

− 

0 Λ 0 . 

, 

0 

∆ 

0 

→ 

pπ 

− 

− 

Blasenkammeraufnahme 

41

Neue Quantenzahlen für Hadronen 

Seltsamkeit (strangeness): 

S(K 0 ) = +1, S(Λ 0 ) = -1, [S(π) = 0, S(p) = 0] 

Summe der Seltsamkeit ändert sich nicht bei starker Wechselwirkung (Erzeugung 

von K 0 und Λ 0 ), wohl aber bei schwacher Wechselwirkung (Zerfall von K 0 

oder Λ 0 ) 

Baryonenzahl: 

B = +1 für Proton und alle Hadronen, bei deren Zerfall ein Proton übrigbleibt. 

Solche Teilchen heißen Baryonen. 

B = -1 für Antiproton und Hadronen, bei deren Zerfall ein Antiproton übrigbleibt 

(Antibaryonen). 

B = 0 für alle anderen Hadronen (Mesonen). 

Außerdem: Spin, Isospin, Parität, ..... 

I 3 -S-Diagramme: 

Diagramme, in denen die Seltsamkeit S gegen die Isospinzahl I 3 (bei sonst 

gleichen Quantenzahlen) aufgetragen sind, zeigen große Regelmäßigkeit. Sie sind 

das Periodensystem der Hadronen. 

42

I 3 -S-Diagramme für Quarks und Mesonen 

43

I 3 -S-Diagramme für Baryonen 

44

1964 

Quark-Hypothese 

Gell-Mann und Zweig vermuten: 

Hadronen bestehen aus Bausteinen, denen Gell-Mann den Namen 

Quarks gab. 

Name Zeichen B Q I 3 S 

M. Gell-Mann 

(1929- ) 


up-Quark u 1/3 2/3 e 1/2 0 

down-Quark d 1/3 -1/3 e -1/2 0 

strange-Quarks s 1/3 -1/3 e 0 -1 

+ Antiquarks 

Alle Quarks haben Spin 1/ 2 $ 

Baryonen bestehen aus 3 Quarks, 

Antibaryonen bestehen aus 3 Antiquarks, 

qqq, B = +1 

Mesonen bestehen aus 1 Quark und 1 Antiquark, 

qqq, B = −1 

qq, 

B = 0 

Das Schema sagt die Existenz weiterer Hadronen voraus, die auch gefunden werden. 

45

Zwei verschiedene Neutrinos 

Sind Neutrinos, die gemeinsam mit Elektron bzw. Müon erzeugt werden, identisch 

oder verschieden, also 

π 

µ 

+ 

+ 

→ 

→ 

µ 

Durch Reaktion eines Neutrinos 

mit einem Atomkern könnte in 

der Blasenkammer ein Müon 

erzeugt werden (oberes Bild) 

oder ein Elektron, das zu einer 

„Kaskade“ von Elektron- 

Positron-Paaren führt (unten). 

e 

+ 

+ 

ν 

ν 

ν 

oder 

π 

µ 

+ 

+ 

→ 

→ 

µ 

e 

+ 

+ 

ν 

ν 

e 

µ 

ν 

µ 

Gibt es nur eine Neutrino-Art, so 

können Neutrinos aus dem 

π-Zerfall sowohl Elektronen als 

auch Müonen erzeugen, 

anderenfalls nur Müonen. 

46

Strahl von Müonen aus π-Zerfall 

Protonen werden aus dem Synchrotron 

ausgelenkt und erzeugen beim Aufprall 

auf Wolfram Pionen, aus deren 

Zerfallsprodukten durch die Strahlabschirmung 

der reine Neutrino-Strahl 

herausgefiltert wird zum Eintritt in die 

Blasenkammer. 

47

Entdeckung des Müon-Neutrinos 

Ergebnis: Neutrinos aus dem π- 

Zerfall erzeugen nur Müonen, keine 

Elektronen. Es gibt zwei 

verschiedene Neutrinoarten. 

Leon M. 

Lederman 

(1922 - ) 


Melvin 

Schwartz 

(1932 - ) 


Jack 

Steinberger 

(1921 - ) 


Das Ergebnis wurde 1962 von 

Lederman, Schwartz und 

Steinberger mit Funkenkammern 

und wenig später am CERN in 

Genf mit einer Blasenkammer 

gefunden. 

Ein Neutrino aus dem Pi-Zerfall tritt von links in die 

Blasenkammer und erzeugt ein Müon (lange Spur nach 

rechts). Der Rückstoßkern liefert eine kurze Spur nach 

unten. (Die von oben nach unten durchgehende Spur hängt 

nicht mit dem Neutrino zusammen.) 

48

Neue Quantenzahlen für Leptonen 

Leptonen sind Teilchen (bzw. Antiteilchen), die schwache und elektromagnetische, aber 

keine starke Wechselwirkung zeigen. Sie treten geladen und ungeladen auf. Es gibt zwei 

Generationen (Elektron- und Müon-Generation). Die Massen von Elektron und Müon sind 

sehr verschiedenen. Die Neutrinos sind masselos oder haben sehr kleine Massen. 

− 

⎛e 

⎜ 

⎝ν e 

⎛ µ 

⎜ 

⎝ν 

− 

µ 

+ 

⎛e 

⎜ 

⎝ν e 

⎛ µ 

⎜ 

⎝ 

+ 

ν µ 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

Teilchen 

Q 

−1 

0 

−1 

0 

1 

0 

1 

0 

L 

e 

1 

L 

µ 

0 

1 0 

0 1 

0 1 

−1 

0 

−1 

0 

0 −1 

0 −1 

Antiteilchen 

Q Ladung (in Einheiten der Elementarladung) 

L e Elektron-Leptonenzahl 

L µ Müon-Leptonenzahl 

L e , L µ sind ladungsähnliche Quantenzahlen, 

die in allen Reaktionen streng erhalten 

sind, z.B. 

L 

L 

e 

µ 

µ 

0 

+ 

− 1 

→ 

e 

− 1 

0 

+ 

ν 

1 

0 

e 

ν 

µ 

0 

− 1 

49

Theorie der schwachen Wechselwirkung - 

schwere Bosonen 

Auch die schwache 

Wechselwirkung wird durch 

Austauschteilchen vermittelt, 

die schweren Eichbosonen 

W + , W - + 

, Z 0 . 

Einige Diagramme mit diesen Bosonen: 

Bosonen vermitteln zwischen Quarks und Leptonen, die geladenen Bosonen auch 

zwischen verschiedenen Quarks und verschiedenen Leptonen. 

Beispiel: Zerfall des Neutrons 

n 

→ 

p e 

− 

ν 

e 

50

Vereinheitlichte Theorie der 

elektroschwachen Wechselwirkung 

Sheldon Glashow 

(1932- ) 


Abdus Salam 

(1926-1996 ) 


1967 

Elektromagnetische und schwache Wechselwirkung haben die gleiche 

Ursache. Es gibt 4 elektroschwache Eichbosonen, die beiden geladenen 

und zwei neutrale 

von denen eines das Photon ist. 

1973 

W + , W − 

γ , Z 

0 

, 

Ein starker, wenn auch indirekter Hinweis auf die Existenz des schweren 

neutralen Bosons Z 0 wird gefunden, die Streuung von Elektron- 

Neutrinos an Elektronen 

ν ν 

e 

e 

Z 0 

Steven Weinberg 

(1933- ) 


e - e - 

51

Vorhersage und Entdeckung des Charm-Quarks 

1964, 1970 

Neben u, d, s soll es ein viertes Quark c (Charm) geben. 

Damit wird eine Symmetrie zwischen den 4 Leptonen 

Samuel Ting 

(1936 - ) 


− 

− 

⎛e 

⎞ ⎛ µ ⎞ 

⎜ ⎟ 

⎜ 

⎟ , 

⎝ν 

⎠ ⎝ν e 

µ ⎠ 

erreicht und es können einige sonst unerklärbare Befunde 

verstanden werden. Ein neues Quark bedeutet, daß viele weitere 

Hadronen existieren. 

Burton Richter 

(1931 - ) 


1974 

In zwei ganz verschiedenen Experimenten finden zwei Gruppen 

unter der Leitung von Ting bzw. Richter ein schweres Meson 

J/ψ, das als ( cc )-Zustand interpretiert wird. 

52

Theorie der starken Wechselwirkung (QCD) 

Ab ca. 1965 wurde die starke Wechselwirkung als Wechselwirkung zwischen 

den Quarks verstanden: 

Jedes der Quarks (u,d,s) existiert in 3 Arten, die sich in einer Eigenschaft, der 

„Farbe“ unterscheiden. 

● Quarks tragen Farbe (rot, grün, blau), Antiquarks tragen Komplementärfarbe 

oder „Antifarbe“ (antirot, antigrün,antiblau) 

● Kräfte der starken Wechselwirkung zwischen Quarks werden durch Austausch 

eines Feldquants, des Gluons, bewirkt. Das Gluon trägt selbst Farbe. (Das 

Photon der QED trägt keine elektrische Ladung) 

● Hadronen sind gebundene Zustande aus Quarks, die selbst farbneutral (weiß) 

sind: 

In Analogie zur Quantenelektrodynamik (QED) wurde eine Theorie der starken 

Wechselwirkung entwickelt. Wegen des Ausdrucks „Farbe“ heißt sie 

Quantenchromodynamik (QCD). 

53

Gluonen tragen Farbe 

QED 

Farbfluß im QCD-Prozeß 

rot 

blau 

QCD 

Das ausgetauschete Gluon hat 

die Farbe rot-antiblau 

Dieser Vertex macht die Theorie 

wesentlich verschieden von der QED: 

Die elektromagnetische Kraft nimmt 

mit wachsendem Abstand der 

elektrischen Ladungen ab. 

Die Farbkraft nimmt mit wachsendem 

Abstand der Farbladungen zu. 

r 

b 

Neben qqg-Vertex existiert 

auch ggg-Vertex 

g 

54


Es gibt 

3 Kräfte 

Kraft Austauschteilchen (Eichbosonen) 

elektroschwach γ, Z 0 , W + , W - 

stark g 

(Schwerkraft) Graviton? 

4 Leptonen (in zwei Generationen) 4 Quarks (in zwei Generationen) 

− 

⎛e 

⎜ 

⎝ν 

e 

⎞ 

⎟ 

, 

⎠ 

⎛ µ 

⎜ 

⎝ 

⎞ 

⎟ 

⎠ 


− 

ν µ 

+ Antiteilchen ⎛ u ⎞ ⎛c⎞ 

+ Antiteilchen 

⎜ ⎟ , ⎜ ⎟ 

⎝d 

⎠ ⎝ s⎠ 

● Existieren die Quarks wirklich? (Oder sind sie nur Hilfsmittel zur Ordnung der Fülle 

von Hadronen?) 

● Existiert das Gluon? 

● Existieren die schweren Bosonen W + , W - , Z 0 ? 

● Existieren weitere Generationen von Leptonen und Quarks? 

55

Speicherringe 

In einem Speicherring werden positive und negative 

Teilchen in entgegengesetzter Umlaufrichtung 

beschleunigt und an einigen Punkten im Ring zur 

Kollision gebracht. Diese Punkte werden mit 

Teilchendetektoren umgeben, deren Daten in 

Computer ausgelesen werden. 

Vorteile: • Höhere nutzbare Energie 

• Sehr „saubere“ Reaktionen 

(keine störende Materie des Targets) 

Schema eines Speicherrings 

Name Ort Teilchen Gesamtenergie 

DORIS Hamburg e 

+ e − 

10 GeV 

PETRA Hamburg e 

+ e − 

46 GeV 

S pp S Genf p p 450 GeV 

LEP Genf e 

+ e − 

200 GeV 

HERA Hamburg e p ca. 300 GeV 

Große Speicherringe in Europa 

Schema eines Experiments am Speicherring 

56

Die 3. Generation von Leptonen und Quarks 

Martin L. Perl 

(1927 - ) 


1975 

M. Perl und Mitarbeiter entdecken ein drittes geladenes Lepton, 

das τ (Tau-Lepton) mit der Masse 1780 MeV/c 2 in einem 

Experiment an einem e + e - - Speicherring in Stanford, Kalifornien. 

e 

+ 

e 

− 

→τ 

+ 

τ 

− 

Da m τ 

> m π 

, können beim Zerfall dieses Leptons im Endzustand 

auch Mesonen auftreten, z.B. 

1977 

Lederman und Mitarbeiter entdecken am Fermi-Labor bei 

Chicago das Υ - Meson, einen ( bb 

)- Zustand. Das Bottom- 

Quark b ist eines der beiden Quarks der 3. Generation und hat 

die Masse m b 

≈ 4,5 GeV/c. 

1997 

τ 

+ 

→ 

π 

+ 

ν 

, 

→ µ 

Das Top-Quark t wird an einem pp-Speicherring höchster 

Energie (2000 GeV) ebenfalls am Fermi-Labor gefunden. Es hat 

die ungewöhnlich hohe Masse m t 

≈ 175 GeV/c. 

τ 

τ 

+ 

− 

+ 

→ e ν ν , 

− 

e 

ν 

µ 

τ 

ν 

+ + + − 

τ 

, τ → π π π ν τ 

τ 

. 

57

Nachweis von Quarks 

über die Beobachtung und Analyse von 2-Jet-Ereignissen 

Theorie (QED): Folgende 2 Prozesse sind ähnlich. 

Feynman-Diagramm im Labor Winkelverteilung 

e 

+ 

e 

− 

+ − 

→ µ µ 

e 

+ 

e 

− 

→ 

qq 

Experiment: Man beobachtet die vorhergesagte Winkelverteilung, 

allerdings für Jets (Bündel von Hadronen). Freie Quarks (Teilchen 

mit Ladungen e/3, 2e/3) werden nicht beobachtet. 

58

Modell zur Entstehung von Quark-Jets 

● Die in einer Elektron-Positron-Vernichtung erzeugten Quarks fliegen 

voneinander weg. 

● Dabei wird zwischen ihnen ein „Farbfeld“ (auch Farbschlauch genannt) 

aufgebaut, dessen Feldenergie der Bewegungsenergie entnommen wird. 

● Die Energie im Farbfeld kann zur Erzeugung weiterer Quark-Antiquark-Paare 

ausreichen. 

● Aus den ursprünglichen und den aus der Feldenergie erzeugten Quarks und 

Antiquarks werden farbneutrale Hadronen gebildet. 

59

Der PLUTO-Detektor 1979 am Speicherring PETRA 

60

PLUTO 

61

PLUTO-Ereignis 

Elektron +Positron --> Quark + Antiquark --> 2 Jets 

62

Nachweis des Gluons 

über die Beobachtung und Analyse von 3-Jet-Ereignissen 

! Beim Aufbau des Farbfeldes werden Quark und Antiquark abgebremst, d.h. sie 

erfahren eine (negative) Beschleunigung. 

! So wie eine beschleunigte elektrische Ladung Photonen abstrahlt, strahlt eine 

beschleunigte Farbladung Gluonen ab. 

! Der Prozeß 

kann für hohe qg-Relativimpulse nach der QCD berechnet werden. 

! Ereignisse mit hohen qg-Relativimpulsen haben neben den beiden Quark-Jets einen 

getrennten Gluon-Jet. 

! Mit der Beobachtung von 3-Jet-Ereignissen am PETRA-Speicherring in Hamburg 

durch die Experimente JADE, MARKJ, PLUTO und TASSO im Jahre 1979 wurde 

das Gluon experimentell entdeckt. 

63

3-Jet-Ereignis 

64

Proton-Antiproton-Speicherring 

Simon van der Meer 

(1925 - ) 


! aus Messungen am Elektron-Positron-Speicherring, 

PETRA, zeichnete sich ab, daß die Massen der schweren 

Bosonen W + , W - , Z 0 bei etwa 100 GeV lagen. 

! Van der Meer entwickelte eine Technik, die es ermöglicht, 

Antiprotonen in einem Ring zu speichern. 

! Der 300 GeV Proton-Beschleuniger des CERN wurde 

zu einem Proton-Antiproton-Speicherring umgebaut, 

mit dem die Bosonen erzeugt werden konnnten. 

65

Erzeugung und Nachweis des Z 0 -Bosons 

Beim Stoß eines Protons und eines Antiprotons können ein Quark und ein 

Antiquark miteinander reagieren und ein Z 0 bilden, das z.B. in ein Elektron- 

Positron-Paar zerfällt. 

Feynman-Diagramm 

im Labor 

Man erwartet das Auftreten eines Elektrons und 

eines Positrons mit charakteristischen Energien 

und Impulsen. (Zusätzlich treten Jets auf, die von 

den übrigen Quarks verursacht werden.) 

Carlo Rubbia 

(1934 - ) 


1983 Den Gruppen UA1 (unter Leitung von 

Rubbia) und UA2 gelingt auf diese Weise der 

Nachweis des Z 0 . 

66

Z 0 → e + e - im UA1-Detektor 

67

Erzeugung und Nachweis von W-Bosonen 

Feynman-Diagramm 

im Labor 

Man erwartet im Detektor ein 

einzelnes Elektron hoher 

Energie. Das Neutrino 

hinterläßt keine Spur. Seine 

Anwesenheit macht sich 

dadurch aber bemerkbar, weil 

nicht die ganze Rekationsenergie 

nachgewiesen wird: 

Es „fehlt“ Energie. 

Erzeugung eines W - (UA1-Ereignis).Die Spur des 

Elektrons ist gekennzeichnet. 

68

Der LEP-Speicherring 

● Die W- und Z-Bosonen bilden mit dem Lichtquant γ eine Teilchenfamilie. 

● Die Präzisionsmessung ihrer Eigenschaften hat deshalb große Bedeutung für 

die Physik. 

● Um sie möglichst sauber (ohne störende andere Teilchen) und in großer 

Zahl erzeugen zu können, wurde ein großer Elektron-Positron-Speicherring, 

LEP, am Europäischen Forschungszentrum CERN bei Genf gebaut. 

● In großen internationalen Kollaborationen werden dort seit 1989 vier 

Experimente betrieben. Eines ist das ALEPH-Experiment, an dem auch die 

Universität Siegen beteiligt ist. 

69

Satellitenbild von Genf und Umgebung 

70

Blick in den LEP-Tunnel 

72

Z-Boson als Resonanz 

76

Breite der Z-Resonanz 

Hängt von Anzahl und Stärke der möglichen Zerfallskanäle ab: 

für alle q mit M(q) < M(Z)/2, 

d.h. q = u,d,s,c,b 

für alle l mit M(l) < M(Z)/2, 

d.h. 

l = e, µ,τ 

für alle Neutrinos mit Massen < M(Z)/2 

d.h. 

ν 

l 

= ν ν µ 

, ν ,⋅⋅⋅ 

e, τ 

77

Z --> 2 Müonen 

78

Z --> Elektron + Positron 

79

Z --> 2 Tau-Leptonen 

80

Z --> Quark + Antiquark --> 2 Jets 

81

Quarks 

Wie viele Generationen von Fermionen gibt es? 

⎛ 

⎜ 

⎝ 

u 

d 

⎞⎛c⎞⎛ 

t ⎞ 

⎟⎜ 

⎟⎜ 

⎟ 

⎠⎝ 

s⎠⎝b⎠ 

... ? 

M(u)~M(d)~0.01GeV 

M(s)~0.3GeV M(c)~1.4GeV 

M(b)~4.3GeV M(t)~175 GeV 

Leptonen 

⎛e 

⎜ 

⎝ 

− 

ν e 

⎞⎛ 

µ 

⎟⎜ 

⎠⎝ν 

− 

⎞⎛τ 

⎟⎜ 

⎠⎝ 

− 

µ ν τ 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

... ? 

M 

M 

( ν ) 

M ( e) 

~ 0.0005GeV 

M 

e 

( µ ) ~ 0.16GeV 

M ( ν ) 

< 0.00000001GeV 

< 0.00017GeV 

() τ ~ 1.7GeV 

M ( ν ) < 0.024GeV 

µ 

τ 

•Während geladene Leptonen schwer sein können, sind die zugehörigen Neutrinos sehr 

leicht (möglicherweise masselos) 

•Noch unentdeckte geladene Leptonen L mit M(L) > M(Z)/2 ~ 45GeV hätten wohl 

Neutrinos mit Massen < M(Z)/2 als Partner. Sie könnten paarweise erzeugt werden und 

trügen dann zur Breite der Z-Resonanz bei. 

•Ein solcher Beitrag wurde nicht beobachtet 

•Erklärung: Es gibt nur die drei bekannten Generationen 

82

Experimenteller Befund: Es gibt genau drei Fermion- 

Generationen 

83

Paarerzeugung freier W-Bosonen 

• Durch Energieerhöhung ist seit Sommer 1997 bei LEP die Erzeugung von Paaren 

schwerer Bosonen möglich 

• Damit können erstmals bei LEP freie W-Bosonen erzeugt werden 

Mögliche Zerfälle des W: 

84

WW --> 4Jets 

85

WW --> 2 Jets + Tau + Neutrino, Tau --> Rho + Neutrino 

86

WW --> 2(Müon + Neutrino) 

87

Bilanz 2000 

Es gibt 

3 Kräfte 

Kraft Austauschteilchen (Eichbosonen) 

elektroschwach γ, Z 0 , W + , W - 

stark g 

(Schwerkraft) Graviton? 

6 Leptonen (in drei Generationen) 6 Quarks (in drei Generationen) 

⎛e 

⎜ 

⎝ν 

− 

e 

⎞ 

⎟ 

, 

⎠ 

⎛ µ 

⎜ 

⎝ν 

− 

⎞ 

⎟ , 

⎠ 

⎛τ 

⎜ 

⎝ 

− 

µ ν τ 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

+ Antiteilchen ⎛ u ⎞ ⎛c⎞ 

⎛ t ⎞ + Antiteilchen 

⎜ ⎟ , ⎜ ⎟ , ⎜ ⎟ 

⎝d 

⎠ ⎝ s⎠ 

⎝b⎠ 


● Warum 3 Generationen (Substruktur, Strings)? 

● Wie erklären sich die Massen der Teilchen? (Higgs?) 

● Haben die Neutrinos Masse? 

● Gibt es eine Quantentheorie der Schwerkraft? 

● Gibt es eine einheitliche Theorie aller Kräfte? 

Es gibt noch viel zu tun! 

88

Internet-Links zum Vortrag 

• Universität Siegen http://www.uni-siegen.de 

• Fachbereich Physik http://www.physik.uni-siegen.de 

• Nobelpreisträger http://www.nobel.se 

• CERN http://www.cern.ch/ 

• ALEPH http://alephwww.cern.ch/ 

89

Auf der Suche nach den kleinsten Dingen - Theoretische Physik 1 ...

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