Fachvortrag Das Standardmodell der Teilchenphysik im Schulunterricht 20

Fachvortrag Das Standardmodell der Teilchenphysik im Schulunterricht 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 1

Elementarteilchenphysik im neuen Rahmenlehrplan in NRW Quelle: http: //www. schulentwicklung. nrw. de/lehrplaene/upload/klp_SII/ph/KLP_GOSt_Physik. pdf, 15. 02. 2016 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 2

Quelle: http: //www. schulentwicklung. nrw. de/lehrplaene/upload/klp_SII/ph/KLP_GOSt_Physik. pdf, 15. 02. 2016 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 3

Was ist Physik? ►Physik versucht die Wirklichkeit / Welt zu beschreiben ►Am Besten: Möglichst einfach 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 4

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 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 5

Reduktion Basiskonzept Wechselwirkung = Kraft + Umwandlung + Erzeugung + Vernichtung ►Alle Vorgänge / Phänomene lassen sich auf 4 Wechselwirkungen zurückführen Hangabtriebskraft, Wasserkraft, Gasdruck, Radiowellen, Luftreibung, Radioaktive Umwandlungen, … … 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 4 Fundamentale Wechselwirku ngen 6

Das Standardmodell der Teilchenphysik ►In den 1960 er und 1970 er Jahren entwickelt ►Seitdem in zahlreichen Experimenten überprüft und bestätigt ►Präziseste Beschreibung der Vorgänge in unserem Universum, die uns aktuell zur Verfügung steht ►Elegantes Theoriegebäude mit großer Vorhersagekraft angereichert durch experimentelle Erkenntnisse 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 7

Die drei Grundpfeiler des Standardmodells 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 8

Das Standardmodell der Teilchenphysik ►Grundlage: fundamentale Symmetrien (lokale Eichsymmetrien) • Ladungen und Wechselwirkungen • nicht: Spektrum der existierenden Elementarteilchen, dies ist rein experimentelle Erkenntnis ►Fundamentale Bedeutung des Ladungsbegriffs! 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 9

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? ? • Nur u, d, e sind für Aufbau der Materie nötig • Warum es genau diese Teilchen gibt, kann • 20. 03. 2017 nicht vorhergesagt werden (nicht verstanden!) Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Das Standardmodell ist eine Teilchenphysik- Duisburg Theorie der Wechselwirkungen 10

Einschub: Größenordnungen in der Teilchenphysik Molekül 20. 03. 2017 Atomkern Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg Nukleonen Quarks 11

Einschub: Elektronenvolt • 1 e. V ist die Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es eine Spannung von 1 Volt durchläuft. 1 e. V = 1, 6 ∙ 10 -19 Joule 1 Ge. V = 109 e. V 1 Te. V = 1012 e. V • Wegen E=mc² können Massen in e. V/c² angegeben werden! (c: Lichtgeschwindigkeit) • Proton: ~1 Ge. V/c²

Einschub: Experimenteller Nachweis von Quarks αStrahler Goldfoli e Detekto r Rutherford-Streuexperiment (1911) Streuung von α-Teilchen an Forschung trifft Schule. Lehrerfortbildung Goldatomen ---> Atomkern 20. 03. 2017 Teilchenphysik- Duisburg Experiment am SLAC (1969) Streuung von Elektronen an Protonen 13 -->Quarks

Reduktion Basiskonzept Wechselwirkung = Kraft + Umwandlung + Erzeugung + Vernichtung ►Alle Vorgänge / Phänomene lassen sich auf 4 Wechselwirkungen zurückführen Hangabtriebskraft, Wasserkraft, Gasdruck, Radiowellen, Luftreibung, Radioaktive Umwandlungen, … … 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 4 Fundamentale Wechselwirku ngen 14

Basiskonzept Wechselwirkung = Kraft + Umwandlung + Erzeugung + Vernichtung ►Umfasst die Phänomene • Kraft (Vektor) (z. B. Coulomb-Kraft) • Umwandlung von Teilchen ineinander (z. B. b • • Umwandlung) Erzeugung von Materie+Antimaterie Elektron+Positron) Vernichtung in Botenteilchen Photonen) (z. B. PET: 2 ►Begriffe Kraft und Wechselwirkung sind klar zu trennen ►Kraft nur dort verwenden, wo wirklich Kraft gemeint isttrifft Schule- Lehrerfortbildung Forschung 20. 03. 2017 Teilchenphysik- Duisburg 15

Ausgangspunkt: Beschreibung der Vorgänge mit 2 bekannten Wechselwirkungen ►Gravitation ►Elektromagnetische WW ►Warum „halten“ die ►Einführung: starke 20. 03. 2017 8 Protonen im Sauerstoffkern zusammen, obwohl sie sich elektromagnetisch abstoßen? Forschung trifft Schule- (r~fm) Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg WW 16

Anknüpfungsmöglichkeit an Bekanntes: ►Zusammenhalt von Nukleonen analog zur Elektronenpaarbindung bei Atomen ►Zwei Nukleonen im Kern „teilen“ sich kurzzeitig ein Quark-Paar 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 17

Die vierte fundamentale Wechselwirkung ►Gravitation ►Elektromagnetische WW ►Warum scheint die Sonne seit nunmehr über vier Milliarden Jahren? 20. 03. 2017 b+ Umwandlung 2 p ->2 n (4 p -> 4 He + 2 e+ + 2 ne ) passiert innerhalb des Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Protons. Duisburg Teilchenphysik- ►starke WW ►Einführung: schwache WW 18

Vergleich der potenziellen Energien ►Elektromagnetische WW ►schwache WW 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg ►Gravitati on ►starke WW 19

Vergleich der potenziellen Energien 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 20

Vergleich der potenziellen Energien bei sehr kleinen Abständen ►Erkennbar: mit wenigen, ähnlichen Prinzipien die Vorgänge der Welt beschreiben ►Das Konzept der Ladung (elektrische Ladung) sollte erweite werden 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 21

Basiskonzept der Ladung ►Ladungszahl als charakteristische Teilcheneigenschaft ►Bekannt: • Elektrische Ladungszahl 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg Elementarladung 22

Erweiterung: Konzept der Ladung ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 23

Basiskonzept der Ladung ►Ladungszahl als charakteristische Teilcheneigenschaft ►Bekannt: • Elektrische Ladungszahl Elementarladung ►Elementarladung ist nun im Kopplungsparameter a enthalten (ist damit Eigenschaft der Wechselwirkung!) Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung ►Die Teilcheneigenschaft ist eigentlich nur die 20. 03. 2017 Teilchenphysik- Duisburg Ladungszahl 24

Erweiterung: Konzept der Ladung ►Einführung: Zu jeder Wechselwirkung existiert eine Ladung ►Ladungszahl als charakteristische Teilcheneigenschaft ►Bekannt: • Elektrische Ladung elektrische Ladungszahl I ►Neu: • Schwache Ladung schwache Ladungszahl • Starke (Farb-)Ladung Forschung trifft Schule. Lehrerfortbildung ►Produkt zweier Ladungen Teilchenphysik- Duisburg 20. 03. 2017 starker Farbladungsvektor 25

Und Gravitation? ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 26

Ein Beispiel: ►Noch ein Beispiel: www. fnal. gov/pub/today/archive_2010/today 10 -04 -15. html 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 27

Ladung der Gravitation? ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 28

Konzept der Ladung ►Ladungen sind charakteristische Teilcheneigenschaften ►Teilchen nehmen nur dann an einer bestimmten WW teil, wenn sie die Ladung der entsprechenden Wechselwirkung besitzen Und: ►Ladungen dienen als Ordnungsprinzip für Teilchen ►Ladungen sind fundamentale Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Erhaltungsgrößen 20. 03. 2017 Teilchenphysik- Duisburg 29

Überblick ►Verschiedene Reichweiten r 2 de ken ►Für kleine Abstände F~1/r e lg är ) o l t ä ei n nf gss h b de r an e n n c ä te ih lu si Re pp rn bst wei Ko ähe en A ch (n ein no kl gar so ►Reihenfolge der Stärken § Kann für Kräfte nicht definiert werden wegen F(r) § Kann nur für WWirkungen definiert werden: a ! ►Stärken aller Wwirkungen sehr ähnlich, außer für Gravitation Wechselwirku ng Reichwei te Gravitation unendlich elektromagnetis ch unendlich stark schwach Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung 20. 03. 2017 Teilchenphysik- Duisburg 30

Geometrische Betrachtung ►Klassische Physik: Feldlinien, hier elektromagnetische WW Dichte der Feldlinien ist proportional zur Stärke der Kraft 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 31

Spekulationen ►Zusätzliche Dim für Gravitation könnten die Kräfte „vereinigen“ Gravitationskraft für 4 zusätzliche Dimensionen unterhalb 10 fm 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 32

Reichweiten der Kräfte ►Unendlich: im Alltag spürbar ►Endlich: nur subatomar Wechselwirku ng Reichwei te Gravitation unendlich elektromagnetis ch unendlich stark schwach 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 33

Schwierigkeiten des Feldlinienbilds ►Ungewöhnliche Feldlinien für WW, deren Kräfte zunächst F~1/r² folgen, dann aber abweichen: ►stark schwach • Kraft -> Feldliniendichte wird konstant Kraft strebt • 20. 03. 2017 rasch gegen Null Feldlinien entstehen spontan enden „im Nichts“ Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg Feldlinien 34

Übergang: Feldlinien zu Botenteilchen ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 35

Endliche Reichweiten ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 36

Endliche Reichweiten ►Starke WW: Feldquanten Gluonen § Masselos -> prinzipiell unendliche Reichweite, aber • Besitzen selbst starke Ladung • • • 20. 03. 2017 (während z. B. q(Photon) = 0) Gluonen können daher selber Gluonen abstrahlen (im Gegensatz zu Photonen) Feldliniendichte bleibt konstant Selbstwechselwirkung „Schlauchbildung“ der Feldlinien (F = const) Quark-Paarerzeugung -> Confinement Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 37

Endliche Reichweiten ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 38

Endliche Reichweiten ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 39

Endliche Reichweiten: Botenteilchen ►Stark: Gluonen • Masselos • Besitzen selber starke Ladung • Gluonen können selber Gluonen abstrahlen (im Gegensatz zu Photonen) Feldliniendichte bleibt konstant • ►Schwach: „Weakonen“ (W und Z-Teilchen) • Große Masse • Quantenmechanik --> Endliche Reichweite • Masse entsteht durch BEHiggs-Hintergrundfeld • Abschirmung der Feldlinien (analog: Dielektrikum) 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 40

Zusammenfassung: Wechselwirkungen ►Alle bekannten Vorgänge im Universum lassen sich auf 4 fundamentale Wechselwirkungen zurückführen • (Gravitation, elektromagnetische, schwache und starke WW) ► 3 dieser WWn werden im Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben und besitzen sehr ähnliche Grundprinzipien ►Nur 2 WWn besitzen eine unendliche Reichweite, während die beiden anderen auf subnukleare Abstände beschränkt sind 20. 03. 2017 → Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg Die Wechselwirkungen des 41

Diskussion / Fragen 10 Minuten Pause 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 42

Basiskonzept Ladung ►Wechselwirkungen werden durch Ladungen hervorgerufen ►Ladungen sind charakteristische Teilcheneigenschaften ►Teilchen nehmen nur dann an einer bestimmten WW teil, wenn sie die Ladung der entsprechenden Wechselwirkung besitzen Und: ►Ladungen dienen als Ordnungsprinzip für Teilchen Forschung bilden trifft Schule. Lehrerfortbildung § Teilchen „Multipletts“ bezüglich der Ladungen 43 20. 03. 2017 Teilchenphysik- Duisburg

Elektrische Ladung ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 44

Schwache Ladung ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 45

Starke Ladung ►Quarks und Anti-Quarks besitzen eine starke Ladung (auch: „Farbladung“) • Protonen und Neutronen bspw. bestehen aus Quarks ►Ladung mit Vektorcharakter: Farbgitter 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 46

Starke Ladung ►Farbladungsvektoren von Quarks 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 47

Starke Ladung ►Farbladungsvektoren von Anti-Quarks 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 48

► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 49

► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 50

►Alle drei Ladungen sind erhalten mit Energie- und Impulserhaltung ist eine Vorhersage möglich, ob bestimmte Prozesse erlaubt oder unmöglich sind 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 51

Übersichten ►Antimaterie: Alle Ladungen entgegengesetzt 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 52

Zusammenfassung: Ladungen ►Drei verschiedene Ladungen • elektrisch • schwach • stark ►Ladungen sind • additiv • erhalten --> Vorhersage zu erlaubten Prozessen • gequantelt 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 53

Darstellen von Wechselwirkungen ►Klassische Physik: Feldlinien für Wechselwirkungen mit unendlicher Reichweite hier: elektromagnetische Wechselwirkung 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 54

Darstellen von Wechselwirkungen ►Analogie: Austausch eines Botenteilchens Anstelle der Feldlinien kann die elektromagnetische Wechselwirkung auch durch den Austausch eines Botenteilchens beschrieben werden 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 55

Feynman-Diagramme ►Aufbau 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 56

Feynman-Diagramme ►Begriffsklärung: • • Vertex / Vertices (plural) Wechselwirkung wird dadurch dargestellt, dass sich die Teilchen treffen (an einem „bestimmtem Ort“, zur einer „bestimmten Zeit“) Vertex 1 Vertex 2 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 57

Grundbausteine 1/2 ►Abstrahlung und Einfang eines Botenteilchens t 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg t 58

Grundbausteine 2/2 ►Paarvernichtung und Paarerzeugung t 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg t 59

Prozesse ►Rutherford-Streuung 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 60

Prozesse ►Compton-Streuung 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 61

Prozesse ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 62

Prozesse ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 63

Feynman-Diagramme: Ladungsfluss. Diagramme ►Vertices können als “=“ Zeichen aufgefasst werden § Auf beiden Seiten müssen Summen gleich sein: § 20. 03. 2017 Impuls, Energie, Drehimpuls, elekt. Ladung, schw. Ladung, starke Ladung Umklappen der Linien dreht Ladungsvorzeichen um Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 64

Ladungserhaltung (z. B. schwache Ladung I) Alle möglichen Prozesse durch „Umklappen“ von Linien: • Atomphysik: K-Einfang eines Elektrons der K-Schale +½ -½ -½ +½ • Erster Nachweis von (Anti-)neutrinos 1953 +½ -½ -½ +½ • b+ und b- - Umwandlungen von Kernen +½ -½ -½ Die Erhaltung der schwachen Ladung erfordert Neutrinos! (experimenteller Hinweis: fehlender Impuls und

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 ►Eine Vorstufe der Feynman-Diagramme ist das x -y-Diagramm ►Ein Feynman-Diagramm ist ein x-t-Diagramm (Zeitachse nach rechts) ►Wechselwirkungen werden durch Vertices Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung 20. 03. 2017 Teilchenphysik- Duisburg symbolisiert, an denen Teilchen emittiert, 66

Ordnung der Elementarteilchen ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 67

„Teilchenzoo“ oder Ordnung? ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 68

Anordnung von Teilchen in Generationen 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 69

Ordnungsschema: Analogie zum Periodensystem ►Analogie zum Periodensystem der Elemente (PSE) in der Chemie ►Drehen der Abbildung um 90° im Uhrzeigersinn • Teilchen sind nach Ladungen geordnet analog den • • 20. 03. 2017 chemischen Elementen in die Hauptgruppen Im PSE sind die chemischen Elemente innerhalb einer Hauptgruppe von oben nach unten nach ihrer Masse aufsteigen geordnet Analog dazu sind auch die Elementarteilchen in den um 90° gedrehten Darstellungen bezüglich der drei Generationen aufsteigend von oben nach unten nach ihrer Masse geordnet Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 70

Ordnungsschema: Analogie zum Periodensystem ►Gleiche Ladungen <-> Gleiche Eigenschaften (“Lepton-Universalität”) ►Welche Plätze gefüllt sind, ist nicht vorhergesagt (Experiment !) ►Muster. Forschung wiederholt sich 2 x für größere trifft Schule. Lehrerfortbildung 20. 03. 2017 Massen Teilchenphysik- Duisburg 71

Teilchenumwandlungen als Schlüssel zur Ordnung ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 72

Teilchenumwandlungen als Schlüssel zur Ordnung ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 73

Teilchenumwandlungen als Schlüssel zur Ordnung ► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 74

Botenteilchen: Umwandlung innerhalb Multipletts ►Eine Rotation (~Eichsymmetrie) eines Quark- Multipletts ►hat denselben Effekt wie Emission oder Absorption eines Gluons 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 75

Teilchenumwandlungen als Schlüssel zur Ordnung ►Elektromagnetische Wechselwirkung • Photonen besitzen keine Ladungen: durch • 20. 03. 2017 elektromagnetische Wechselwirkung können die Ladungen eines Teilchens nicht geändert werden Alle Teilchen sind Singuletts bezüglich der elektrischen Ladung Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 76

Multipletts – Ladungen als Ordnungsprinzip 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 77

Multipletts – Ladungen als Ordnungsprinzip ►Zu jedem Teilchen gibt es ein zugehöriges Teilchen, mit gleicher Masse jedoch entgegengesetzten Ladungen ►Anti-Materieteilchen ebenfalls in drei Generationen 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 78

Zusammenfassung: Multipletts ►Teilchen lassen sich anhand ihrer Ladungen ordnen ►Die Zahl und Multipletts der Botenteilchen werden aus den Symmetrien des Standardmodells vorhergesagt ►Für die Materieteilchen findet man experimentell § Dupletts der schwachen Wechselwirkung (nicht • • 20. 03. 2017 vorhersagbar!) Tripletts der starken Wechselwirkung (nicht vorhersagbar!) Singuletts der elektromagnetischen Wechselwirkung (vorhersagbar) Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 79

Mögliche experimentelle Diskussionspunkte für den Unterricht Woher weiß man, : ►dass es Quarks gibt? ►dass es drei verschieden Farbladungen gibt? ►dass Farbladungen vektoriellen Charakter haben? ►dass die Leptonenuniversalität gilt? ►dass es drei Arten leichter Neutrinos gibt? ►Welche Werte die Kopplungsparameter der fundamentalen Wechselwirkungen haben? 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 80

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! www. teilchenwelt. de 20. 03. 2017

Diskussion / Fragen 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 82

Extrafolien 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 83

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 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 84

► 20. 03. 2017 Forschung trifft Schule- Lehrerfortbildung Teilchenphysik- Duisburg 85