12 wesentliche Entdeckungen in der Physik der Elementarteilchen

12 wesentliche Entdeckungen in der Physik der Elementarteilchen Eine kurze Zusammenfassung von 100 Jahren Forschung Prof. Dr. Jörn Bleck-Neuhaus, Universität Bremen Fachbereich Physik/Elektrotechnik Jun 2009 Inhalt↓ /51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 2/51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht- 9. Graphische Sprache: Unterscheidbarkeit Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von 10. Umwandlungen der Wechselwirkung Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung 7. Wechselwirkung ist und Vernichtung Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 12. Drei verletzte Symmetrie-Gesetze 8. Virtuelle Zustände J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 3/51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht- 9. Graphische Sprache: Unterscheidbarkeit Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von 10. Umwandlungen der Wechselwirkung Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung 7. Wechselwirkung ist und Vernichtung Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 12. Drei verletzte Symmetrie-Gesetze 8. Virtuelle Zustände III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 4/51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 5/51

I. Die ganze klassische Physik • Mechanik • Elektrodynamik • Maxwell-Gleichungen • Newton • Einstein • Newton • Coulomb / Lorentz (so zusammengefasst in Feynman Lectures on Physics; Bd. 2) J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

I. Die ganze klassische Physik – und ein wenig von Quanten • Spin • Wellenmechanik • Wellenfunktion • Schrödinger-Gleichung • Gebrochene Quantenzahl • Welle-Teilchen-Dualität • Wahrscheinlichkeits-Amplitude • Superposition und Interferenz • Quantisierung von • Energie • Impuls • Drehimpuls Ausgangspunkt für die Frage: Was bringen die Elementarteilchen Neues? J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 8/51

#1: Es gibt Elementarteilchen! • Die Existenz von Elementaren Teilchen entwickelte sich von einer philosophischen Idee zur Realität der Experimentellen Physik. Was ist genau genommen ein Elementarteilchen? Ein Teilchen ohne Ausdehnung und ohne innere Struktur Solche Teilchen heißen auch: fundamentale Teilchen • Beispiele: • Elektron, Photon, Quark • Myon, Pion, Neutrino, W-Boson, Z-Boson, Gluon, . . . • Elementare Teilchen sind definierte, genau vermessene Objekte: • Masse, Ladung, Spin, Magnetisches Moment – bestimmt mit höchster Genauigkeit z. B. J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#1: In der klassischen Physik kann es keine Elementar -Teilchen geben • Auch der Massenpunkt ist kein Elementar-Teilchen ? Nein: in der klassischen Mechanik ist der Massenpunkt nur ein Näherungskonzept zwecks Vereinfachung der Formeln (z. B. für einen ganzen Planeten in den Formeln der Himmelsmechanik) • Elementar-Teilchen mit bestimmten festgelegten Eigenschaften sprengen notwendigerweise den Rahmen der klassischen Physik - denn ihre Gesetze sind „invariant in Bezug auf die Skala“ , (Sie werden z. B. unverändert genutzt für die Planeten wie für die Elektronen im Bohrschen-Atom-Modell. ) - denn einen wirklichen Massen-PUNKT kann es nicht geben, (Er hätte ein Gravitationsfeld mit unendlichem Energie-Inhalt und daher auch unendliche Masse – vgl. den „klassischen Elektronen-Radius“) - und einen ausgedehnten Körper ohne innere Struktur auch nicht. (Da er keine elastische Welle tragen kann, müsste ein kurzer Stoß an seiner „Vorderseite“ sofort – d. h. mit Überlichtgeschwindigkeit - hinten erscheinen. ) J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 11/51

#2: Es gibt nur wenige Arten von elementaren Teilchen • 2 Arten Fermionen für die „Materie“: • • • das Lepton ( z. B. Elektron: Bestandteil der Atomhüllen) das Quark ( z. B. u und d : Bestandteile der Kern-Materie) 3 Arten Bosonen für die Wechselwirkungen (alias Kraftfelder, Strahlung): Antiteilchen werden mit -1 gezählt • • • das Photon (für den Elektromagnetismus) das Gluon (für die Starke Wechselwirkung, z. B. Kernkraft) das W± - und Z°-Boson (für die Schwache Wechselwirkung, z. B. ßRadioaktivität) Die Fermionen erfüllen zwei Erhaltungssätze für die Teilchenzahl: • die Zahl der Leptonen bleibt konstant • die Zahl der Quarks bleibt konstant Die Bosonen können ohne Beschränkung der Zahl erzeugt oder vernichtet werden => der Kern des Quanten der stabilen Materie Quanten der Strahlungs- oder Kraftfelder Standard-Modells in der Elementarteilchen-Physik J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#2: Die klassische Physik ? kann zu den Typen von Elementaren Teilchen auch nichts sagen. J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 14/51

#3: Elementare Teilchen kann man erzeugen und vernichten • Beispiele: • • • Emission / Absorption von Lichtquanten (Photonen) Erzeugung von Elektronen (oder Positronen) in der ß-Radioaktivität Beginn und Ende der Spuren von ionisierenden Teilchen in der Nebelkammer oder Photoplatten (Erzeugung/Vernichtung von Fermionen: immer im Teilchen-Antiteilchen Paar ) • Formalismus der „Zweiten Quantisierung“: • Erzeugung/Vernichtung = Zustands-Änderung von n Teilchen zu (n± 1) • Operator für Erzeugung eines Teilchens mit Impuls • Operator für Vernichtung eines Teilchens mit Impuls • der Vakuum-Zustand des Systems : Anwendungsbeispiel : J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#3: Klassische Physik kennt weder Erzeugung noch Vernichtung von Materie. • Im Gegenteil: • es gilt das Gesetz von der Erhaltung der Masse, aufgestellt nach sorgfältigsten Messungen im 18. Jhdt. , • • gültig auch für chemische Reaktionen (von grundlegender Wichtigkeit für die Entwicklung der Chemie!) bestätigt (im 19. Jhdt. ) auch für biologische Prozesse Ø Erscheinen oder Verschwinden eines materiellen Gegenstands war Zauberei oder Teufelswerk (und wurde entsprechend geahndet). Aber der Massendefekt in den Kernen ? Relativitätstheorie (1905): oder Bei der Bildung des Kerns aus seinen Nukleonen verschwindet die Masse Δm nicht einfach, sondern fliegt als Strahlung fort (z. B. Radioaktivität oder Energie-Abstrahlung der Sonne) J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 17/51

#4: Es gibt Anti-Teilchen • Jedes Fermion existiert in 2 Formen: Teilchen oder Antiteilchen • Teilchen oder Antiteilchen unterscheiden sich lediglich durch das Vorzeichen der Ladung (Ladung jeden Typs). Ø Folge für ein Paar Teilchen-Antiteilchen Ø zusammen haben sie Ladung Null Ø zusammen können sie verschwinden, ohne einen der Ladungserhaltungssätze zu verletzen: Prozess der Paar-Vernichtung Ø die Energie, der Impuls und der Drehimpuls bleiben dabei erhalten: andere Teilchen (Bosonen) oder Paare Teilchen-Antiteilchen (Fermionen) entstehen und fliegen weg: Vernichtungsstrahlung Beispiel der Vernichtungsstrahlung: + - J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#4: Klassische Physik und Anti-Teilchen? Fehlanzeige J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht- 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme Unterscheidbarkeit 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 20/51

#5: Teilchen sind ununterscheidbar Teilchen (einer Sorte) • sind nicht nur vollkommen gleich, d. h. , sie haben exakt die gleichen Eigenschaften (Masse, Spin, Ladung(en) …) • sondern mehr: ununterscheidbar d. h. , es ist logisch falsch , ihnen verschiedene Namen (Nummern, Buchstaben, . . . ) zu geben Beispiel: 2 gleiche Fermionen Ein Elektron “A” in einem Zustand : ψ1(Koordinaten “A”) und ein “B” im (dazu orthogonalen) Zustand: ψ2 (Koordinaten “B”) 2 Elektronen bilden einen antisymmetrischen 2 -Teilchen-Zustand ψ ψ(Koordinaten A, B) = ψ1 (A) ψ2(B) : - ψ1(B) ψ2 (A) Aus diesem System im Zustand ψ kann man mit 100% Sicherheit • ein Elektron herausholen im Zustand φ1 = (ψ1 - ψ2) /√ 2 • und das andere Elektron bleibt zurück im Zustand φ2 = (ψ1+ ψ2) /√ 2 Frage: welches Elektron wurde herausgenommen – “A” oder “B” ? ? J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#5: Identische Teilchen in 2. Quantisierung • den 2 -Teilchen-Zustand erzeugen: • Vernichtungs-Operator für Zustand φ1 : • ein Elektron im Zustand φ1 extrahieren: das Resultat ergab sich automatisch richtig für die Durchführung der Rechnung: Ein weiterer Vorteil der 2. Quantisierung: ( “Quantensprung” ) damit ein Teilchen seinen Zustand wechselt bietet sich der Übergangs-Operator ( “wirf eins weg, mach dir ein neues - sind doch identisch!” ) kein Platz mehr für die „dumme“ Frage: wo ist das Elektron während des Sprungs? J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#5: Klassische Physik und ununterscheidbare Teilchen ? • Statistische Mechanik Entropie = Boltzmann-Konst. x log( Anzahl möglicher Realisierungen des gleichen Makro-Zustands ) Zwei Gase: gleiche Gase: N 1 , P , T , S 1 N 2, P 2 , P , T 2 T , , S 2 Anzahl der Realisationen mit Austausch von Teilchen zwischen beiden Teilvolumen “ Gibbssches Paradox “ : diese Entropiezunahme ist falsch Lösung per (Koch-)Rezept: (kaum verstanden vor der Entdeckung der Quantenmechanik ): - die Möglichkeiten der Vertauschung “gleicher” Teilchen einfach nicht beachten J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#5: Klassische Physik und ununterscheidbare Teilchen ? Resumé: Gleiche Teilchen sind ununterscheidbare Teilchen. • Teilchen sind nur verschieden, wenn sie verschiedene physikalische Eigenschaften haben. • Vom momentanen Zustand abgesehen, hat ein Teilchen keine Eigenschaft um es von anderen Teilchen der selben Sorte unterscheiden zu können. • Es ist schon logisch falsch, einem Teilchen einen Namen (oder Nummer) zu geben um es von anderen der selben Sorte zu unterscheiden. J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 25/51

#6: Es gibt*) nur 23 Arten der Wechselwirkung • • • Elektromagnetische Wechselwirkung • wirkt durch das Photon • wirkt zwischen allen Teilchen mit elektrischer Ladung (also nicht zwischen Photonen) Schwache Wechselwirkung • wirkt durch das Boson W ± oder Z° • wirkt zwischen allen Fermionen (und W ± , Z°) Starke Wechselwirkung • wirkt durch das Gluon g • wirkt zwischen Quarks (und Gluonen) bekannt durch Elektrotechnik/ Elektronik vereinigt in der „elektro-schwachen Wechselwirkung“ bekannt durch ßRadioaktivität bekannt durch Kernkräfte / Kernenergie *) außer Gravitation (die noch nicht quantenphysikalisch verstanden ist) J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#6: Es gibt nur 3 Arten der Wechselwirkung Wie lassen die fundamentalen Fermionen*) mittels dieser 3 Wechselwirkungen die uns bekannte Welt entstehen? • Gebraucht werden dazu nur 2 Quarks (d, u) und 1 Lepton (e-). • Die Starke WW macht, dass 3 Quarks (uud) das Proton p bilden. • (das stabil ist, weil es schlicht kein anderes (leichteres) Teilchen gibt, in das es sich umwandeln könnte, ohne einen der Erhaltungssätze zu verletzen) • Die elektromagnetische WW macht, dass p und e sich binden und ein Atom H bilden. • (… das nur aus dem gleichen Grund stabil ist) *) Leptonen [ e, μ, τ, νe, νμ, ντ ] und Quarks [ u, d, c, s, t, b ] samt Antiteilchen J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#6: Es gibt nur 3 Arten der Wechselwirkung (Forts. ) • Die elektromagnetische WW macht, dass 2 Atome H sich anziehen um ein Molekül H 2 zu bilden. • (obwohl sie elektrisch neutral sind) • Auf ähnliche Weise macht die Starke WW, dass Protonen (uud) und Neutronen (udd) sich anziehen • (obwohl sie neutral sind für die Starke WW), um Kerne zu bilden • (stabil nur aus dem selben Grund wie vorher) • Die elektromagnetische WW macht, dass ein Kern mit Z Protonen eine gleiche Anzahl Elektronen anzieht und so ein Atom des Elements Z bildet. J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#6: Es gibt nur 3 Arten der Wechselwirkung (Forts. ) • Die elektromagnetische WW bewirkt alle Arten der chemischen Bindung und bestimmt alle ihre Eigenschaften: • Typen ionisch. . . kovalent, • Bindungs-Energie, • Bindungs-Abstände und Orientierung, • Elastizität, • chemische Valenz • Die elektromagnetische WW ist weiter alleinverantwortlich dafür, dass die Moleküle sich anziehen oder abstoßen, um feste, flüssige oder gasförmige Körper zu bilden • …… Und die Schwache Wechselwirkung ? ? . . . macht, dass von den Leptonen nur das Elektron stabil ist, und von den Teilchen aus Quarks nur das Proton. J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#6: Wieviel Wechselwirkungen kennt die klassische Physik? • “Mechanische” Kraft (incl. Druck, Zug, Drehmoment, . . . ) • Reibung • Adhäsion • Elektrostatik (Coulomb-Kraft) • Magnetismus (Stab- / Elektro-Magnet) • Lorentz-Kraft • Gravitation • . . . ? Wechselwirkungen auf der Ebene der elementaren Teilchen • Schwache WW • Elektromagnetische WW (direkt oder mittelbar über Stabilität und feste Form der Moleküle / der festen Körper etc. ) • Starke WW • eine Quantentheorie der Gravitation gibt es noch nicht J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 31/51

#7: Wechselwirken: ein Feldquant emittieren oder absorbieren • Wechselwirkung klassisch: muss Prozesse Emission/Absorption ermöglichen! • es wirkt eine Kraft Ø und ändert den Zustand • Wechselwirkung quantentheoretisch (z. B. Elektromagnetisch) • Hamilton-Operator Ø ändert den Zustand erzeugt ein Photon vernichtet ein Photon { Ansatz Kopplungs. Zustandsänderung des Elektrons konstante J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

#7: Wechselwirken ist: ein Feldquant emittieren oder absorbieren /2 Elektronen und Photonen mit allen möglichen Impulsen pi , pf , Δpγ müssen an Emission und Absorptionsprozessen teilnehmen dürfen: …. ergibt: nur die Kombinationen, die den Impuls- und Energieerhaltungssatz erfüllen! Ø die Quantenelektrodynamik (QED) – die vollständige Theorie aller elektromagnetischen Prozesse und bisher exakteste aller physikalischen Theorien. ein berühmtes Beispiel: der anomale g-Faktor des Elektrons und weiteres Ergebnis (nicht weniger spektakulär): Positrons Messung nicht nur die : elektromagnetischen Wellen der klassischen Physik, auch die statischen Felder und QED : ergeben sich schon aus dem minimalen Ansatz für J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) ! Inhalt↓ 33/51

#7: Wechselwirken ist: ein Feldquant emittieren oder absorbieren /2 Elektronen und Photonen mit allen möglichen Impulsen pi , pf , Δpγ müssen an Emission und Absorptionsprozessen teilnehmen dürfen: …. ergibt: nur die Kombinationen, die den Impuls- und Energieerhaltungssatz erfüllen! Ø die Quantenelektrodynamik (QED) – die vollständige Theorie aller elektromagnetischen Prozesse und bisher exakteste aller physikalischen Theorien. ein berühmtes Beispiel: der anomale g-Faktor des Elektrons und weiteres Ergebnis (nicht weniger spektakulär): Positrons Messung nicht nur die : elektromagnetischen Wellen der klassischen Physik, auch die statischen Felder und QED : ergeben sich schon aus dem minimalen Ansatz für J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) ! Inhalt↓ 34/51

#7: Kräfte und Wellen in der klassischen Physik • wie entwickelt die klassische Physik das Konzept der Wechselwirkung ? • wie und wann kommen Wellen ins Spiel ? • dies zeigt die Anwesenheit einer Kraft am Ort des Körpers an • die ihrerseits die Anwesenheit eines Kraft-Felds anzeigt • das Kraft-Feld wird durch die Ladung Q eines anderen geladenen Körpers erzeugt • bewegt sich dieser, folgt das Feld an einem entfernten Ort nur mit Verzögerung • eine Welle entsteht • erreicht die Welle einen Körper, wirkt sie auf ihn gemäß ihrer Feldstärke am Ort des Körpers • Energie kann absorbiert werden (oder emittiert) ysik h n-P nte Qua Kraft drückt sich durch eine Änderung des Impulses eines Körpers aus zuerst die Kraft, zuletzt die Welle • J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 35/51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 36/51

# 8. Virtuelle Zustände : eine notwendige Neuheit • “ Teilchen wirken auch aus Zuständen heraus, in denen sie in der beobachtbaren Welt nicht vorkommen können ” Problem: der fundamentale Prozess der QED ●. . ist verboten, weil er die Erhaltung von E und p verletzt Lösung: “reale Welt”: “virtuelle” Welt: im Schwerpunkt. System: E=mc 2 -reicht nicht für γ und bewegtes Elektron notwendige Folge der Relativitäts. Theorie Ø ≥ 1 der 3 Linien im Diagramm gehört zu einem virtuellen Zustand ! J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

# 8. Virtuelle Zustände: Realität in den Formeln 2. Ordnung • Wechselwirkung quantentheoretisch (Erinnerung) • Hamiltonian ØÄnderung des Zustands Auswahl: nur Summanden mit ● ● Ø der gesamte Prozess erhält E und p J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 38/51

# 8. Virtuelle Zustände: Realität in den Formeln 2. Ordnung das Diagramm genauer betrachtet: heraus: 2 reale Elektronen mit Impulsen pf 1 und pf 2 Elektron pi 1 erhält den Impuls Δp und ändert seine Energie entsprechend: −ΔE ● ● hinein: 2 reale Elektronen mit Impulsen pi 1 und pi 2 reale Welt danach Elektron pi 2 gibt den Impuls Δp ab und ändert seine Energie entsprechend um +ΔE reale Welt vor dem Prozess das Photon: • erscheint weder vorher noch nachher, lediglich im Diagramm (bzw. Formel) das virtuelle • lässt aber Δp und ΔE von einem Elektron zum anderen übergehen Photon • muss nicht ΔE=c Δp erfüllen – die Gleichung der realen Photonen. J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 39/51

# 8. Virtuelle Zustände: Wechselwirkung ist Bosonen-Austausch • elektromagnetische WW • schwache WW • starke WW ne ● ● ● ● (und andere Kombinationen der „Farb-Ladungen“ r, g, b) J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 40/51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 41/51

#9: Sprache der Feynman-Diagramme • Grafische Representation der exakten Formel für die Übergangswahrscheinlichkeit zwischen Quanten-Zuständen • Wechselwirkung quantentheoretisch (Erinnerung) • Hamiltonian ØÄnderung des Zustands unendliche Reihe (konvergent? ? ) der Störungsrechnung, Glied 2. Ordnung: Das Feynman-Diagramm Welt der realen Teilchen t interne Linie ● ● Teilchen verborgene Welt der virtuellen externe Linien J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 42/51

#9: Feynman-Diagramme (Beispiele) Stoß geladener Teilchen (Elektromagnetische WW) e ● Stoß eines Photons mit einem geladenen Teilchen (Compton-Effekt) ● ● ● + ● Erzeugung eines Paars Teilchen↓ Anti-Teilchen Antiteilchen wenn E<0 : gebundene Zustände durch Coulomb. Anziehung ● ● ↑ Teilchen ● ● ● N J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 43/51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 44/51

#10. Umwandlungen der Teilchen ineinander • Elementar-Teilchen können sich in andere umwandeln … • . . . ohne dass dies als eine Umordnung von noch fundamentaleren Bausteinen interpretiert werden könnte. ( die „weiche“ Definition von Elementarteilchen in den Zeiten des „Elementarteilchen-Zoos“ in den 1950/60 ern, vor der Entdeckung der Quarks ) Beispiele: • Ursache der Radioaktivität ß • “Zerfall“ der Myonen • “Zerfall“ der Pionen • • Erzeugung „seltsamer“ (strange) Teilchen • Zerfall „seltsamer“ (strange) Teilchen • . . J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 45/51

#10. Teilchen-Umwandlung in der klassischen Naturwissenschaft? • in Chemie: ja. chemische Reaktion = Umwandlung zweier Moleküle in zwei andere, sehr verschiedene → Erzeugung ganz neuer Stoffe • einfach erklärt durch Umordnen der “Elementar-Teilchen der Chemie” - der Atome (Dalton, Avogadro, . . . 19. Jhdt. ) • Umwandlung eines Atoms in ein anderes ? ( Quecksilber zu Gold ? ) ¡ ALCHIMIE ! J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 46/51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände Erhaltungssätze 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 47/51

# 11. Weitere Arten von “Ladung” Absolute Erhaltung • elektrische Ladung - ermöglicht Emission/Absorption von Photonen • Schwache Ladung - ermöglicht Emission/Absorption von W± , Z° • Farb-Ladung - ermöglicht Emission/Absorption von Gluonen • e-Leptonen-Flavor - eingeführt um sagen zu können: “diese Ladungen können nur durch Schwache WW verändert werden, für die Starke und Elektromagnetische WW sind sie erhalten” • μ-Leptonen-Flavor • τ-Leptonen-Flavor • 6 Quark-Flavors (d, u, s, c, b, t) - (desgleichen) • Baryonen-Ladung - eingeführt, um die Erhaltung der Baryonen. Zahl (je 3 Quarks) beschreiben zu können • Leptonen-Ladung - eingeführt, um die Erhaltung der Leptonen. Zahl beschreiben zu können J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ /51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände Erhaltungssätze 12. Drei verletzte Symmetrie-Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 49/51

# 12. SYMMETRIE-GESETZE in der klassischen Physik ←. . . in der Zeit – Erhaltung der Energie ← im Ort – Erhaltung des Impulses ← des gemeinsamen Dreh-Winkels – Erhaltung des Drehimpulses – Erhaltung der elektrischen Ladung interpretiert als Folge einer universell geltenden Invarianz der Prozesse und der Gleichungen gegenüber kontinuierlichen Verschiebungen. . . Symmetrie / Invarianz: drei diskrete Transformationen Spiegel-Symmetrie ← Spiegelung räumlich P Ladungs-Umkehr-Invarianz ← Spiegelung der elekt. Ladung C Zeit-Umkehr-Invarianz ← Spiegelung der Zeitrichtung T alle gelten streng in der klassischen Physik J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 50/51

# 12. SYMMETRIE-GESETZE in der Quantenmechanik klassischen Physik – Erhaltung der Energie – Erhaltung des Impulses – Erhaltung des Drehimpulses – Erhaltung der elektrischen Ladung ← ← . . . in der Zeit im Ort des gemeinsamen Dreh-Winkels der gemeinsamen (q. m. ) Phase interpretiert als Folge einer universell geltenden Invarianz der Prozesse und der Gleichungen gegenüber kontinuierlichen Verschiebungen. . . Symmetrie / Invarianz: drei diskrete Transformationen Erhaltungveder Spiegel-Symmetrie rletz. Parität td ← Spiegelung räumlich P urch di e wa. Spiegelung Ladungs-Umkehr-Invarianz. Sch← der elekt. Ladung C che We Zeit-Umkehr-Invarianz chselw ir ung ← Spiegelung der k. Zeitrichtung T alle gelten streng in der Physik Symmetrie Teilchen-Antiteilchen ← 3 klassischen Spiegelungen kombiniert PCT ist eine der fundamentalen Symmetrien der Elementarteilchenphysik J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 51/51

Erhaltungssätze in klassischer Physik und bei den Elementarteilchen • klassische Physik: – hier wurden die Erhaltungssätze (Impuls, Drehimpuls, Energie, Ladung) überhaupt entdeckt – sie erscheinen in aller Praxis aber nur ungefähr erfüllt (wegen Reibung, plastischer Verformung, unvollständiger thermischer Isolierung, Kriechströmen. . . ) – denn stets gibt es eine so immense Vielzahl von Freiheitsgraden mit niedriger Anregungsenergie, dass eigentlich immer “etwas” Energie, Impuls, . . . “verlorengeht” • bei den Elementaren Teilchen: ► stark erweiterter Gebrauch von Erhaltungssätzen – gibt es keine inneren Freiheitsgrade, wo sich “etwas” verbergen könnte – haben die Erhaltungssätze direkte und kompromisslose Gültigkeit – Regel: “Jeder Prozess, der nicht direkt durch einen Erhaltungssatz verboten ist, kommt auch tatsächlich vor”. J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 52/51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik Inhalt I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten) II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht. Unterscheidbarkeit 9. Graphische Sprache: Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von Wechselwirkung 10. Umwandlungen der Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie. Gesetze III. Resumé J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 53/51

III. Resumé: elementare Teilchen vs. klassische Physik 12 Beobachtungen und neue Konzepte : 1. Es gibt sie wirklich: Elementare Teilchen 5. Identisch bis zur Nicht- 9. Graphische Sprache: Unterscheidbarkeit Feynman-Diagramme 2. Es gibt nur wenige verschiedene Typen 6. Es gibt nur 3 Arten von 10. Umwandlungen der Wechselwirkung Teilchen ineinander 3. Teilchen-Erzeugung und Vernichtung 7. Wechselwirkung ist Austausch von Bosonen 11. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze 4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie-Gesetze J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 54/51

Schlussbemerkungen • neue Begriffe und Konzepte: notwendig – Klassische Physik hat hier versagt • war das etwa nicht zu erwarten ? • neue Begriffe und Konzepte: zum Teil befremdlich – mit einer Tendenz, dem “gesunden Verstand” zu widersprechen • schlecht für die Theoretische Physik? Danke. Menschenverstand ! • oder eher für den gesunden ? • sicher, dass es keine weiteren Überraschungen geben wird ? – manchmal scheint ja fast das Ende erreicht • jedoch gibt es offene Fragen: – gibt es das Higgs-Teilchen? – welche Masse haben Neutrinos? – Instabilität des Protons ? – – – dunkle Materie im Universum ? Quantentheorie der Gravitation ? . . ? ? . . . . ? ? ? . . . . J. Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 55/51