Der Teilchenzoo

Literatur zur Vertiefung

  • Povh: Teilchen und Kerne
  • Fraunfelder: Teilchen und Kerne
  • Bopp: Kerne, Hadronen und Elementarteilchen

Allgemeines

Teilchenzoo kann unterteilt werden in

  • Leptonen:
    Teilchen, die nicht zusammengesetzt sind und auch nicht zum Aufbau weiterer Teilchen dienen.
  • Hadronen:
    Teilchen, die zusammengesetzt sind oder zum Aufbau weiterer Teilchen dienen.
  • Eichbosonen:
    Teilchen, die die Fundamentalkräfte vermitteln (siehe Kapitel 5).
Zu jeder Teilchensorte gehört ein Antiteilchen. Antiteilchen unterscheiden sich nur durch die entgegengesetzte elektrische Ladung vom Teilchen, ansonsten verhalten sie sich gleich.


Leptonen

  • Elektron, Myon, Tau und die entsprechenden Antiteilchen Positron, My+ und Tau+ tragen je eine negative oder positive elektrische Elementarladung, unterscheiden sich jedoch in ihrer Masse (Tau wiegt 3000 mal soviel wie ein Elektron).
  • Elektron-Neutrino, My-Neutrino und Tau-Neutrino sowie die entsprechenden Antineutrinos tragen keine elektrische Ladung, besitzen nach neuesten Erkenntnissen jedoch eine Masse (Stichwort Superkamiokande-Experiment).
  • Leptonen werden in 3 Familien unterteilt: leicht, mittel, schwer
  • Leptonen sind elementar, ohne Substruktur

Hadronen

  • Quarks sind die Bausteine der Hadronen:
    Up, Down, Charm, Strange, Bottom und Top sowie die entsprechenden Antiquarks.
  • Quarks werden in 3 Familien unterteilt: leicht, mittel, schwer.
  • Quarks tragen 2/3 bzw -1/3 elektr. Elementarladung.
  • Quarks treten jeweils in 3 Farben auf: rot, grün, blau
    sowie in den entsprechenden Antifarben anti-rot, anti-grün und anti-blau
    (→ Farbladung für die starke Wechselwirkung, Kapitel 5)
  • Quarks können nicht einzeln auftreten, sondern nur in Gruppen (confinement).
  • Hadronen werden unterteilt in Baryonen und Mesonen.
  • Baryonen bestehen aus drei Quarks in den Farben r,g,b.
  • Mesonen bestehen aus zwei Quarks, nämlich Quark und Antiquark, in den Farbe-Antifarbekombinationen rot-antirot, grün-antigrün oder blau-antiblau.
  • Baryonen und Mesonen sind somit nach außen farbneutral.



  • Beispiele für Mesonen:

        Phi (s,anti-s), elektrisch neutral
        Pi+ (u,anti-d), elektrisch positiv
        Pi- (anti-u,d), elektrisch negativ

  • Beispiele für Baryonen:

        Proton (uud), elektrisch geladen
        Neutron (udd), elektrisch neutral

Eigenschaften

Eigenschaften der Bewohner des Teilchenzoos, die zur Charakterisierung der Teilchen dienen:

  • Masse
  • elektrische Ladung
  • Farbladung
  • schwache Ladung
  • Eigendrehimpuls (Spin)
  • weitere quantenmechanische Eigenschaften




Zusammenfassende Übersicht






Über das Standardmodell hinausgehende Teilchen: Pentaquarks

  • Teilchen, die aus 5 Quarks bestehen, z.B. u u d d anti-s (Θ+)



  • 5-Quark-Zustand oder ein 3+2-Quarkmolekül

  • Existenz 1997 von D.Diakonov, V.Petrov und M.Polyakov vorgesagt, Kollegen sehr skeptisch

  • 2003: Θ+ von Takashi Nakano (Osaka) entdeckt und von Ken Hicks (Jefferson Lab) bestätigt

  • weitere Gruppen finden ebenfalls Hinweise auf Θ+

  • CLAS Kollaboration (Jefferson Lab) führt detailliertes und bisher umfangreichstes Experiment durch: keine Hinweise auf Pentaquarks (Nature 2005)

  • Fazit: es ist z.Z. völlig unklar, ob Pentaquarks existieren, die vermeintlichen Entdeckungen sind vermutlich falsch interpretierte Daten

Offene Fragen und Probleme des Standardmodells

  • Warum lassen sich Leptonen und Quarks jeweils in genau 3 Generationen (leicht, mittel, schwer) einteilen ?

  • Was ist Masse, wie erhalten Teilchen ihre Masse ?
    Gibt es das Higgsboson ?
    Problem: alle Teilchenmassen des Standardmodells sind freie Parameter, sie können nicht aus der Theorie berechnet werden
    Idee: Masse entsteht durch den Higgs-Mechanismus, ursprünglich masselose Elementarteilchen wechselwirken mit dem Higgs-Feld (ihre "Bewegung" im Higgs-Feld wird gebremst) und gewinnen so Masse (verringern ihre Geschwindigkeit)
    Suche nach dem Higgs-Teilchen am LHC, wird es im erwarteten Energiebereich nicht gefunden: großes Problem...

  • Wo kommt das extreme Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie im Universum her ?

  • Rotationskurven von Galaxien zeigen, dass Galaxien in ihren äußeren Gebieten viel zu schnell rotieren. Die einzige mögliche Erklärung: Galaxien enthalten etwa 10 mal mehr Masse als wir sehen

  • Bewegung innerhalb von Galaxienhaufen liefert den gleichen Hinweis

  • Kandidaten für diese dunkle Materie: z.B. WIMPs, Axionen, etc (Teilchen jenseits des Standardmodells)

  • Neueste Erkenntnisse der Astrophysik (WMAP, Supernovae) zeigen:
    das Universum besteht zu 4% aus normaler Materie (Standardmodell),
    zu 23% aus Dunkler Materie (jenseits des Standardmodells, z.B. WIMPs, Axionen, Photinos, Neutralinos,...)
    und zu 73% aus Dunkler Energie (völlig unklar um was es sich handelt)

  • Temperaturkarte des Universums, aufgenommen vom Satelliten WMAP. Hintergrundstemperatur etwa 2.7 Kelvin, Schwankung (rot-blau) etwa 0.0001 Kelvin



  • große Projekte zur Suche nach Dunkler Materie, auch in Tübingen (Prof. Jochum, Projekt CRESST); Problem hierbei: Dunkle Materie wechselwirkt nur gravitativ und schwach (Kap. 5), deshalb extrem schwer zu entdecken