Das Standardmodell der Teilchenphysik im Schulunterricht Fachvortrag Philipp

Das Standardmodell der Teilchenphysik im Schulunterricht Fachvortrag Philipp Lindenau, Sebastian Fabianski Bad Honnef | 21. /22. 03. 2019

Elementarteilchenphysik im neuen Rahmenlehrplan in NRW Quelle: http: //www. schulentwicklung. nrw. de/lehrplaene/upload/klp_SII/ph/KLP_GOSt_Physik. pdf, 15. 02. 2016 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 2

Quelle: http: //www. schulentwicklung. nrw. de/lehrplaene/upload/klp_SII/ph/KLP_GOSt_Physik. pdf, 15. 02. 2016 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 3

Band 1: Ladungen, Wechselwirkungen und Teilchen ►Ca. 100 Seiten Hintergrundinformationen für Lehrkräfte ►Einführung in das Standardmodell ►Spiralcurriculum, didaktische und fachliche Hinweise ►Aufgabenblätter bald online § Werden hier teilweise eingesetzt 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 5

Was ist Physik? ►Physik versucht die Wirklichkeit / Welt zu beschreiben ►Am Besten: Möglichst einfach 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 6

Vereinheitlichungen in der Physikgeschichte ►Newtonsche Mechanik (17. Jhd. ): „irdische“ Fallgesetze (Galilei) und Bewegung der Himmelskörper (Kepler) als Folgen der Gravitation ►Elektromagnetismus (19. Jhd. ): Zusammenfassung elektrischer und magnetischer Phänomene durch J. C. Maxwell ►Relativitätstheorie (20. Jhd. ): Vereinheitlichung von Raum und Zeit zur Raumzeit und von Masse und Energie (E = mc²) durch A. Einstein 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 7

Bedeutung der Teilchenphysik für das „große Bild“ U(1)Y http: //lhc-milestones. web. cern. ch/lhcmilestones Elektromagnetismus Magnetismu Elektrizität Große Elektroschwac vereinheitlichte Standar he Schwache Theorie SU(2)I d Model Mischung Wechselwirkung „Weltformel“ SU(3)C Starke Wechselwirkung Planetenbewegun Gravitation Fallgesetze 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 8

Vereinheitlichungen ►Alle Vorgänge / Phänomene lassen sich auf 4 Wechselwirkungen zurückführen Hangabtriebskraft, Wasserkraft, Gasdruck, Radiowellen, Luftreibung, Radioaktive Umwandlungen, … 21. 03. 2019 4 Fundamentale Wechselwirkungen Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 9

Das Standardmodell der Teilchenphysik ►Das Standardmodell § Elegantes Theoriegebäude („Quantenfeldtheorie“) § § § mit großer Vorhersagekraft angereichert mit experimentellen Erkenntnissen Grundlage: Fundamentale Symmetrien (lokale Eichsymmetrien) Beschreibt alle bekannten Wechselwirkungen auf Teilchenebene Wurde 1960 er und 1970 er Jahren entwickelt. Seitdem in zahlreichen Experimenten überprüft und bestätigt 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 10

Einschub: Größenordnungen 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 11

Die drei Basiskonzepte des Standardmodells Ladungen ha er n e n 21. 03. 201 9 n Elementarteilchen lte d or n re s e b rie ne ge en z it unterliegen beeinflussen Wechselwirkungen Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 12

Fußball - Analogie ►Wie erklärt man jemandem etwas Unbekanntes? z. B. Fußball. . . § Man beginnt nicht mit der Anzahl der Spieler oder gar deren § § Positionen, sondern mit den Grundregeln Spieler = Elementarteilchen Regeln = Wechselwirkungen, Erhaltungssätze, . . . ►Wieso also bei der Behandlung des Standardmodells damit beginnen? ? H u c t g § Nur u, d, e sind für Aufbau der Materie nötig d § Warum es genau diese Teilchen gibt, s b g ne nm nt Z e m t W kann nicht vorhergesagt werden (nicht verstanden!) 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 13

Das Standardmodell der Teilchenphysik ►Grundlage: Konsequenzen fundamentaler Symmetrien (lokale Eichsymmetrien) § Ladungen und Wechselwirkungen § Nicht: Liste der existierenden Teilchen § Sondern: Regeln, die beschreiben, wie diese wechselwirken u c 21. 03. 2019 t g H d s b g ne nm nt Z e m t W Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 14

Die drei Basiskonzepte des Standardmodells Ladungen ha er n e n 21. 03. 201 9 n Elementarteilchen lte d or n re s e b rie ne ge en z it unterliegen beeinflussen Wechselwirkungen Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 15

Basiskonzept: Wechselwirkung = Kraft + Umwandlung + Erzeugung + Vernichtung Basiskonzept: Wechselwirkung ►Umfasst die Phänomene § Kraft (Vektor) (z. B. Coulomb-Kraft) § Umwandlung von Teilchen ineinander (z. B. b§ § Umwandlung) Erzeugung von Materie + Antimaterie (z. B. Elektron + Positron) Vernichtung in Botenteilchen (z. B. PET: 2 Photonen) ►Begriffe Kraft und Wechselwirkung sind klar zu trennen ►Kraft ist nur ein Aspekt von Wechselwirkung ►Kraft nur dort verwenden, wo wirklich Kraft Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 21. 03. 2019 16

Vereinheitlichungen ►Alle Vorgänge / Phänomene lassen sich auf 4 Wechselwirkungen zurückführen Hangabtriebskraft, Wasserkraft, Gasdruck, Radiowellen, Luftreibung, Radioaktive Umwandlungen, … 4 Fundamentale Wechselwirkungen Standardmodell (ohne Gravitation) 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 17

Ausgangspunkt: Zwei Bekannte Wechselwirkungen ►Elektromagnetische Wechselwirkung ►Gravitation (O 2 und Erde) e. V als Einheit 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 18

Einschub: Elektronenvolt ► 1 e. V ist die Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es eine Spannung von 1 Volt durchläuft. -19 e § 1 e. V = 1, 6 ∙ 10 Joule § 1 Ge. V = 109 e. V + 12 § 1 Te. V = 10 e. V 1 V ►Wegen E=mc² können Massen in e. V/c² angegeben werden! (c: Lichtgeschwindigkeit) § Elektron 0, 5 Me. V/c² § Proton 938 Me. V/c² ~ 1 Ge. V/c² § Higgs-Teilchen ~125 Ge. V/c² 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 19

Die Starke Wechselwirkung ►Warum „halten“ die 8 Protonen im Sauerstoffkern zusammen, obwohl sie sich elektromagnetisch abstoßen? Potenzielle Energie als Funktion des Abstands zweier Quarks ►Substruktur: Nukleonen bestehen aus Quarks, die „neue“ starke Wechselwirkung spüren. Kernkraft geht auf diese Substruktur zurück (Ähnlich Molekül ↔ Atom) 21. 03. 2019 Abstand der Protonen zueinander ist r ~ 1 fm Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 20

Bindung von Nukleonen ► Nukleon Quark Nukleon 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 21

Einschub: Experimenteller Nachweis von Quarks αStrahler Goldfoli e Detekto r Experiment am SLAC (1969) Rutherford-Streuexperiment Streuung von Elektronen an (1911) Protonen Streuung von a-Teilchen an → Entdeckung der Quarks Goldatomen Mehr zu Forschungsmethoden gibt es morgen! → Entdeckung des Atomkern 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 22

Die Schwache Wechselwirkung ►Warum scheint die Sonne? § 4 Protonen fusionieren zu 4 He + 2 e+ + 2 ne § Wie „verwandelt“ sich ein Proton in ein Neutron? ►Einführung: schwache Wechselwirkung (z. B. Quarks der Nukleonen bei r ~ 0. 001 fm) § z. B. b+-Umwandlung 4 p → 4 He + 2 e+ + 2 ne 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 23

Die 4 fundamentalen Wechselwirkungen ►Elektromagnetische WW ►Schwache WW 21. 03. 201 9 ►Gravitation ►Starke WW Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 24

Vergleich der potenziellen Energien 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 25

Vergleich der potenziellen Energien bei sehr kleinen Abständen (Achsen jeweils mit Faktor 25 gedehnt bzw gestaucht) 21. 03. 201 9 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 26

Potenzielle Energien bei sehr kleinen Abständen Wechselwirkung Potenzielle Energie gravitativ elektromagnetisch stark schwach 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 27

Die drei Basiskonzepte des Standardmodells Ladungen ha er n e n 21. 03. 201 9 n Elementarteilchen lte d or n re s e b rie ne ge en z it unterliegen beeinflussen Wechselwirkungen Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 28

Basiskonzept der Ladung ►Ladungszahl als charakteristische Teilcheneigenschaft ►Bekannt: § Elektrische Ladungszahl 21. 03. 2019 Elementarladung Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 29

Erweiterung auf andere Wechselwirkungen ► 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 30

► Erweiterung: Konzept der Ladung Wechselwirkun g gravitativ elektromagnetisch stark schwach 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 31

► Erweiterung auf andere Wechselwirkungen 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 32

Erweiterung: Konzept der Ladung ►Einführung: Zu jeder Wechselwirkung existiert eine Ladung ►Ladungszahlen bzw. -vektoren als charakteristische Teilcheneigenschaften ►Bekannt: § Elektrische Ladung elektrische Ladungszahl ►Neu: § Schwache Ladung I schwache Ladungszahl § Starke (Farb-)Ladung Farbladungsvektor starker ►Produkt zweier Ladungen kann positiv oder negativ sein 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 33

Und Gravitation? ► ep 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 34

Ladung der Gravitation? Warum kann die Masse m eines Teilchens nicht die Ladung der Gravitation sein? ►Schulniveau: § Masse ist keine Erhaltungsgröße § Produkt zweier Massen kann nicht negativ sein ►Theorie: § Massen können keine Eichsymmetrie in Raum und Zeit erzeugen, denn Raum und Zeit selbst müssen „verdreht“ werden 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 35

Konzept der Ladung ►Ladungszahlen bzw. -vektoren sind charakteristische Teilcheneigenschaften ►Teilchen nehmen nur dann an einer bestimmten Wechselwirkung teil, wenn sie die Ladung der entsprechenden Wechselwirkung besitzen Und: ►Ladungszahlen bzw. -vektoren dienen als Ordnungsprinzip für Teilchen ►Ladungszahlen bzw. vektoren sind fundamentale Erhaltungsgrößen Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 36 21. 03. 2019 § Grundlage der Symmetrien des Standardmodells

Die drei Basiskonzepte des Standardmodells Ladungen ha er n e n 21. 03. 201 9 n Elementarteilchen lte d or n re s e b rie ne ge en z it unterliegen beeinflussen Wechselwirkungen Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 37

Die 4 fundamentalen Wechselwirkungen ►Elektromagnetische WW ►Gravitation Warum erfahren wir nur Gravitation und Elektromagnetismus ►Schwache WW ►Starke WW im Alltag? 21. 03. 201 9 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 38

Kräfte der Wechselwirkungen Grenze exper. Auflösung (stark, schwach, em) 21. 03. 201 9 Protondurchmesser Basiskonzept: Wechselwirkung = Kraft + Umwandlung + Erzeugung + *Wir sind ~1 m weiter dort → Vernichtung Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 39

Basiskonzept: Wechselwirkung = Kraft + Kräfte der Wechselwirkungen Umwandlung + Erzeugung + ►Alle Kraftgesetze beinhalten den Abstand r Vernichtung § Bei kleinen Abständen F ~ 1/r 2 ►Reichweiten sind Konsequenzen dieser Kraftgesetze § Unendlich: im Alltag spürbar § Endlich: nur subatomar ►Reihenfolge der Stärken § Kann für Kräfte nicht definiert werden wegen F(r) § Kann nur für Wechselwirkungen definiert werden: a ! ►Stärken aller Wechselwirkungen sehr ähnlich (außer für Gravitation) 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 40

► Stärke der Wechselwirkungen Warum erfahren wir nur Wechselwirkun Gravitation und g Elektromagnetismus im Alltag? Gravitation elektromagnetisch stark schwach 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 41

Ausgangspunkt: Geometrische Betrachtung ► Feldlinie Äquipotentiallinie 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 42

Schwierigkeiten des Feldlinienbilds ►Schwach ►Stark § Kraft strebt rasch gegen Null § Kraft konstant → Feldliniendichte wird konstant § Feldlinien entstehen spontan§ Feldlinien enden „im Nichts“ 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 43

Übergang: Feldlinien zu Botenteilchen ► 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 44

Übergang: Feldlinien zu Botenteilchen ► 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 45

Ausgangspunkt: Elektromagnetische Wechselwirkung ► 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 46

Klassisches Analogon: ► -+ + + - + +- - -+ -+ -+ + + + -+++ -- - + -+ - 21. 03. 2019 - + + - Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef + ++ - 47 -

Ausgangspunkt: Elektromagnetische Wechselwirkung ► 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 48

Starke Wechselwirkung ► 21. 03. 2019 ~1/r² Konstanter ~1/r² Bereich Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 49

Starke Wechselwirkung ► r ~ 0, 2 fm r ~ 1 fm 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 50

Die 4 fundamentalen Wechselwirkung Potenzielle Energie Reichweite gravitativ unendlich elektromagnetisch unendlich stark schwach 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 51

Diskussion / Fragen 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 52

Die drei Basiskonzepte des Standardmodells Ladungen ha er n e n 21. 03. 201 9 n Elementarteilchen lte d or n re s e b rie ne ge en z it unterliegen beeinflussen Wechselwirkungen Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 53

Konzept der Ladung ►Ladungen sind charakteristische Teilcheneigenschaften ►Teilchen nehmen nur dann an einer bestimmten Wechselwirkung teil, wenn sie die Ladung der entsprechenden Wechselwirkung besitzen Und: ►Ladungen dienen als Ordnungsprinzip für Teilchen ►Ladungen sind fundamentale Erhaltungsgrößen § Grundlage der Symmetrien des Standardmodells 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 54

► Elektrische Ladung 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 55

Schwache Ladung ► 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 56

Qem = e ∙ Z Qw = gw ∙ I Schwache Ladungszahl ►Fachlicher Hinweis § Die schwache Ladung hat eigentlich einen vektoriellen Charakter, daher die vollständige Bezeichnung „Schwache Isospin-Ladung“ Ladung szahl § Wie beim Spin (z. B in Atomorbitalen die magnetische Quantenzahl m) ist nur eine Komponente (die schwache Ladungszahl) messbar. (Daher der „Isospin“ Begriff) § Sie darf außerdem nicht verwechselt werden mit dem „starken Isospin“, der insbesondere zur Ordnung von gebundenen Quark-Zuständen dient. Er ist keine Ladung im Sinne einer Wechselwirkung. ►Bei Literatur und Webrecherche ist daher größte Vorsicht geboten 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 57

Starke Ladung ►Quarks und Anti-Quarks besitzen eine starke Ladung (auch: starke „Farbladung“) ►Farbgitter: § Experimentell nachgewiesen: § § Alle starken Ladungen haben gleichen Betrag 3 Ladungen addieren sich zu 0 (Protonen und Neutronen bspw. bestehen aus 3 Quarks) geht nur mit Vektoren Theorie: 2 Komponenten messbar 2 -dim Farbgitter 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 58

Starke Ladung ►Farbladungsvektoren von Quarks 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 59

Starke Ladung ►Farbladungsvektoren von Anti-Quarks 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 60

Alle Ladungen sind additiv ► 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 61

Alle Ladungen sind jeweils erhalten ► 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 62

Eindeutige Vorhersage möglich ►ob bestimmte Prozesse erlaubt oder unmöglich sind (und sogar ihrer Wahrscheinlichkeiten) aus § Energie- und Impulserhaltung § Erhaltung aller drei Ladungen § Beachtung der Teilchen-“Multipletts“ (später) 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 63

Zusammenfassung: Ladungen ►Drei verschiedene Ladungen § Elektrisch § Schwach § Stark ►Ladungen sind § Additiv § Erhalten → Vorhersage von erlaubten Prozessen Gequantelt § ►Antimaterie: Alle Ladungen entgegengesetzt 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 64

Übung: Botenteilchen ►Ziel: Lösen der Aufgaben 1 -3 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 65

Lösungen 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 66

Lösungen 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 67

Die drei Basiskonzepte des Standardmodells Ladungen ha er n e n 21. 03. 201 9 n Elementarteilchen lte d or n re s e b rie ne ge en z it unterliegen beeinflussen Wechselwirkungen Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 68

Darstellung durch Botenteilchen ►Wechselwirkungen werden von Botenteilchen übermittelt ►Bekannt ist: § Energie, Impuls, Ladungen vorher § Energie, Impuls, Ladungen nachher § Differenzen werden durch Botenteilchen übertragen ► Feynman Diagramme 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 69

Feynman - Diagramme ►Bausteine: § Materie Teilchen § Materie Antiteilchen § Botenteilchen 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 70

Feynman - Diagramme ►Begriffsklärung: § Wechselwirkung wird dadurch dargestellt, dass sich die § Teilchen treffen Treffpunkt heißt: Vertex / Vertices (plural) x Vertex t 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 71

Grundbausteine 1/2 ►Abstrahlung und Einfang eines Botenteilchens 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 72

Grundbausteine 2/2 ►Paarvernichtung und Paarerzeugung 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 73

Prozesse ►Rutherford-Streuung § Feynman-Diagramm mit § „Blackbox“ Vertex Feynman-Diagramm detaillierter Vertex 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 74

Blackbox Vertex ►Compton-Streuung § Blackbox Vertex zeigt nicht das § Botenteilchen In diesem Fall 2 gleichberechtige Prozesse 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 75

Alternative Feynman-Diagramme zur Compton-Streuung 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 76

Beispiel für Spiralansatz: Feynman. Diagramme ►Beta-Umwandlung mit Blackbox 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 77

Beispiel für Spiralansatz: Feynman. Diagramme ►Beta-Umwandlung mit „klassichem“ und „QFT“ -Gebiet (gestrichelte Achse erst in nächster Auflage) „klassisch“ „QFT“ „klassisch“ 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 78

Virtuelle Teilchen ► E Masselose Teilchen mc 2 W Botenteilchen der b-Umwandlung 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef p 79

Virtuelle Teilchen ►Analogie: Erzwungene Schwingung vs. Teilchenphysik von außen Dämpfung = von außen Ruheenergie Breite ~1/Lebensd Vorgegeben Eigenfrequenz 1/Lebensdauer Vorgegeben ►„Erzwungene“ Ruheenergie des W Teilchens in der Beta Umwandlung ist weit weg g von seiner „nominellen Ruheenergie“ (Resonanz) W Botenteilchen der b-Umwandlung 21. 03. 2019 w w 0 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 80

► 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 81

„Umklappen“ von Linien ►Durch “umklappen” von Linien können mögliche Prozesse vorhergesagt werden ►Ladungserhaltung bleibt durch Umkehr der Pfeilrichtung gegeben ►Beispiel: § Von der b+ Umwandlung zum Nachweis der Elektron Anti-Neutrinos 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 82

„Umklappen“ von Linien ►Atomphysik: K-Einfang eines Elektrons der K-Schale ►Erster Nachweis von (Anti-)neutrinos 1953 ►b+ und b- - Umwandlungen von Kernen 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 83 83

Erinnerung: Bindung von Nukleonen – Starke Wechselwirkung vs. Kernkraft ► Nukleon Quark Nukleon 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 84

Zusammenfassung: Feynman. Diagramme ►Wechselwirkungen werden in der Teilchenphysik durch den Austausch von Botenteilchen beschrieben ►Wechselwirkungen werden mittels Feynman-Diagrammen dargestellt § Diese können auch zur quantitativen Berechnung dienen ►Wechselwirkungen werden durch Vertices symbolisiert, an denen Teilchen emittiert, absorbiert, erzeugt oder vernichtet werden 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 85

Übung: Feynman-Diagramme ►Arbeitsblatt mit Aufgaben zu Feynman. Diagrammen ►Weiter mögliche Übungen in „Ladungen, Wechselwirkungen und Teilchen“ Aufgaben 9 -12 (ab Seite 103) 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 86

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Die drei Basiskonzepte des Standardmodells Ladungen ha er n e n 21. 03. 201 9 n Elementarteilchen lte d or n re s e b rie ne ge en z it unterliegen beeinflussen Wechselwirkungen Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 90

► Ordnung der Elementarteilchen 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 91

► „Teilchenzoo“ oder Ordnung? 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 92

Anordnung von Teilchen in Generationen 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 93

Analogie zum Periodensystem ►Teilchen sind nach Ladungen geordnet, analog den chemischen Elementen in den Hauptgruppen ►Im PSE sind die chemischen Elemente innerhalb einer Hauptgruppe von oben nach unten nach ihrer Masse aufsteigen geordnet 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 94

Die drei Basiskonzepte des Standardmodells Ladungen ha er n e n 21. 03. 201 9 n Elementarteilchen lte d or n re s e b rie ne ge en z it unterliegen beeinflussen Wechselwirkungen Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 95

► Teilchenumwandlungen als Schlüssel zur Ordnung 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 96

► Teilchenumwandlungen als Schlüssel zur Ordnung 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 97

► Erinnerung: Starke Wechselwirkung 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 98

Teilchenumwandlungen als Schlüssel zur Ordnung ► 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 99

Umwandlung innerhalb Multipletts ►Eine Rotation (~Eichsymmetrie) eines Quark-Multipletts ►hat denselben Effekt wie Emission oder Absorption eines Gluons 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 100

Teilchenumwandlungen als Schlüssel zur Ordnung ►Elektromagnetische Wechselwirkung § Photonen besitzen keine Ladungen: durch § elektromagnetische Wechselwirkung können die Ladungen eines Teilchens nicht geändert werden Alle Teilchen sind Singuletts bezüglich der elektrischen Ladung 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 101

Übung: Ordnungsschema des Standardmodells ►Multipletts der schwachen und der starken Wechselwirkung 21. 03. 201 9 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 102

21. 03. 201 9 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 103

Multipletts – Ladungen als Ordnungsprinzip 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 104

Multipletts – Ladungen als Ordnungsprinzip ►Zu jedem Teilchen gibt es ein zugehöriges Anti-Teilchen, mit gleicher Masse jedoch entgegengesetzten Ladungen ►Anti-Materieteilchen ebenfalls in drei Generationen 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 105

Zusammenfassung: Multipletts ►Teilchen lassen sich anhand ihrer Ladungen ordnen ►Die Zahl der Botenteilchen werden aus den Symmetrien des Standardmodells vorhergesagt ►Für die Materieteilchen findet man experimentell § Dupletts der schwachen Wechselwirkung (nicht § § vorhersagbar!) Tripletts der starken Wechselwirkung (nicht vorhersagbar!) Singuletts der elektromagnetischen Wechselwirkung (vorhersagbar) ►Umwandlungen nur innerhalb der Multipletts möglich § (zuzüglich: hier nicht diskutierte Effekte der Zustandsmischung) 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 106

Die drei Basiskonzepte des Standardmodells Ladungen ha er n e n 21. 03. 201 9 n Elementarteilchen lte d or n re s e b rie ne ge en z it unterliegen beeinflussen Wechselwirkungen Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 107

PROJEKTLEITUNG Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit! e www. teilchenwelt. d www. facebook. de/teilchenwelt/ PARTNER SCHIRMHERRSCHAFT FÖRDERER 108

► Higgs Feld 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 109

Diskussion / Fragen 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 110

Exkurs: warum schwache „Isospin“Ladung? ►Zugrundeliegende Symmetrie genau dieselbe wie bei Spin ►Jeweils Vektor mit 3 Komponenten § Spin S = (Sx, Sy, Sz) im Ortsraum § Schwacher Isospin IW = (I 1 W, I 2 W, I 3 W) im abstrakten schwachen Isospinraum ►Messbar beiden nur: http: //de. wikipedia. org/wiki/Stern-Gerlach-Versuch § Gesamter Betrag und eine Komponente (meist gewählt: die § 3. ) die beiden anderen Komponenten sind „unscharf“ (Heisenberg) ►Wir sprechen daher nur von schwacher Ladungszahl I : = I 3 W ►Ordnung in Multipletts von I : = I 3 W 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 111

Anzahl der Farben ►Idee: Messung des Verhältnisses von qq zu m+ m- 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 112

Anzahl der Farben 21. 03. 201 9 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 113

Basiskonzept: Wechselwirkung = Kraft + Einschub: Umwandlung + Erzeugung + ►Alle Kraftgesetze beinhalten den Abstand r Vernichtung § Bei kleinen Abständen F~1/r 2 ►Reichweiten sind Konsequenzen dieser Kraftgesetze § Unendlich: im Alltag spürbar § Endlich: nur subatomar ►Reihenfolge der Stärken § Kann für Kräfte nicht definiert werden wegen F(r) § Kann nur für Wechselwirkungen definiert werden: a ! ►Stärken aller Wechselwirkungen sehr ähnlich (außer für Gravitation) 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 114

Spekulationen ►Zusätzliche Dimensionen für Gravitation könnten die Kräfte „vereinigen“ Gravitationskraft für 4 zusätzliche Dimensionen unterhalb 10 fm 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 115

Gluon Selbstwechselwirkung ►Gluonen besitzen selbst starke Ladung § Gluonen können selbst Gluonen abstrahlen g g g 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 116

Bisher ignoriert: Zustandsmischung ► Makroskopisch messbare Teilchen: immer Massen-Eigenzustände ► Wechselwirkungen: immer Ladungs-Eigenzustände ► Umwandlungen nur innerhalb der Ladungs-Dupletts möglich § Die Multipletts sind daher *nur* für Ladungs-Eigenzustände definiert ► Konsequenz des BEHiggs Feldes: § die Masseneigenzustände von Quarks sind nicht identisch mit den schwachen Ladungs§ § Eigenzuständen, sondern eine Mischung aus diesen! Masseneigenzustände haben i. a. keine definierte schwache Ladung Schwache Ladungs-Eigenzustände haben i. a. keine definierte Masse 21. 03. 2019 Cabibbo. Kobayashi. Maskawa Matrix (CKM Matrix) Massen Eigenzustände Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 117

► Zustandsmischung Schwache Ladungs. Eigenzustände 21. 03. 2019 Massen Eigenzustände Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 118

Quark-Umwandlungen ►Beispiel: Wandelt sich ein c-Quark in einem schwachen Prozess um, entsteht daraus immer ein s‘ Ladungs-Eigenzustand, den man mit Wahrscheinlichkeit |Vcd|2=0, 05 aber als ein d. Quark Masse-EZ beobachtet ►Die Mischungsmatrix ist fast diagonal • Jeweils schwerere Massen-EZ (d, c, t) wandeln sich >95% • innerhalb derselben Teilchen-Generation um Für s- und b-Quarks sind nur Umwandlungen in die leichteren Generationen möglich, unterdrückt um Faktoren 40 (s u), u c t 600 (b c) und 100. 000 (b u), 10 ihre Lebensdauern sind entsprechend verlängert Der Term |Vud|2=0, 95 verlängert z. B. die Lebensdauern von freien Neutronen und elektr. geladenen Pionen um 5% d s b Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 99% 95% 21. 03. 2019 5% • 95% -6 119

► Zustandsmischung Schwache Ladungs. Eigenzustände 21. 03. 2019 Massen Eigenzustände Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 120

Schwache Wechselwirkung ►Klassisches Analogon: Abschirmung von Feldlinien § Abschirmung von (unendlichen) Feldlinien durch entgegengesetzte Feldlinien § Brout-Englert-Higgs Feld schirmt schwache Ladungen ab + + + + + - - - - - 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 121

Feynman Diagramm Tool kit 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 122

Bedeutung der Teilchenphysik für das „große Bild“ 21. 03. 2019 Forschung trifft Schule - Lehrerfortbildung Teilchenphysik - Bad Honnef 123