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Das Standardmodell

Freitag, 21. September 2012 - 01:44 | Autor: wabis | Themen: Wissen, Physik, QM, Download
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik (SM) ist eine physikalische Theorie, welche die bekannten Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen beschreibt. Die Voraussagen des SM sind durch teilchenphysikalische Experimente recht gut bestätigt [1] [Video-1].

Teilchen des Standardmodells

Die Teilchen des Standardmodells werden in die zwei Varianten Fermionen und Bosonen eingeteilt. Die Fermionen machen jene Teilchen aus, die wir üblicherweise als Materie bezeichnen. [Video-2]

Fermionen (Spin = 1/2)
e, μ, τ Elektron, Myon, Tau
Es gibt drei Arten von negativ geladenen Teilchen: das Elektron, das Myon und das Tau.
ν Neutrinos
Und es gibt drei entsprechende elektrisch neutrale Arten von Teilchen: das Elektron-Neutrino, das Myon-Neutrino und das Tau-Neutrino.
q Quarks
Von den Quarks gibt es sechs unterschiedliche Varianten: up, down, charm, strange, top, bottom. Drei up und down Quarks bilden zusammen ein Proton oder Neutron.
Bosonen (Spin = 1)
γ Photon
Das Photon γ (Gamma) ist das Teilchen des elektromagnetischen Kraftfeldes. Unter Anderem besteht Licht aus Photonen.
g Gluon
Das Gluon ist ähnlich wie ein Photon, aber es hat nichts mit Atomen sondern mit Atomkernen zu tun. Gluonen halten die Quarks zusammen zu Protonen und Neutronen und halten diese zu Atomkernen zusammen.
W W-Bosonen
Z Z-Boson

In dieser Aufstellung fehlt nur noch ein Teilchen, um das es in diesem Beitrag hauptsächlich geht, das Higgs-Boson.

Das Spezielle an dieser Aufstellung der Teilchen des Standardmodells ist, dass sie nach der Theorie alle eine Masse von Null haben sollten! Wir können überall lesen, dass das Higgs-Bosons den Teilchen Masse gibt.

Warum muss den Teilchen Masse gegeben werden? Warum haben sie nicht einfach selbst eine Masse?

Nun, es stellt sich heraus, dass diese Teilchen gerade die Gruppe aller masselosen Teilchen bilden, wenn es das Higgs-Boson nicht gäbe. Dies ist teilweise auch eine Erklärung dafür, weshalb diese Teilchen verglichen mit der Planck-Masse so extrem leicht sind. Weil sie eigentlich keine Masse haben. Aber das stimmt nicht ganz. Wir wissen ja, dass diese Teilchen eine kleine Masse haben.

Masse der Teilchen

Teilchen können eine Masse von 0 bis zu einer maximalen Masse haben, der sog. Planck-Masse mP. Hätte ein Teilchen eine grössere Masse als die Planck-Masse, würde es ein schwarzes Loch bilden. [Video-3]

Die Planck-Masse ist: 1,2209 ·1019 GeV/c2 = 2,176 ·10−8 kg

Dies entspricht etwa dem Gewicht eines Staubteilchens. Die folgende Tabelle zeigt die Massen einiger Teilchen im Vergleich mit der Planck-Masse:

Teilchen Masse
Elektron 0,000 511 GeV/c2 9,107 ·10−31 kg
Up-Quark 0,0024 GeV/c2 4,3 ·10−30 kg
Down-Quark 0,0048 GeV/c2 8,6 ·10−30 kg
Proton 0,938 GeV/c2 1,672 ·10−27 kg
Neutron 0,940 GeV/c2 1,675 ·10−27 kg
Top-Quark 171,2 GeV/c2 3,051 ·10−25 kg
Teilchen der dunklen Materie?
Planck-Masse 1,221 ·1019 GeV/c2 2,176 ·10−8 kg

Die Masse des schwersten bekannten Elementarteilchens, des Top-Quarks, ist etwa 1017 mal kleiner als die Planck-Masse!

Warum sind alle diese Teilchen so extrem leicht?

Eine Antwort ist: um schwere Teilchen nachweisen zu können, braucht man viel Energie. Um diese Energie zu erzeugen braucht es grosse Teilchenbeschleuniger. Bisher wurden erst Beschleuniger bis zu einer bestimmten Grösse gebaut. Also konnten damit noch keine schwereren Teilchen entdeckt werden. Aber vielleicht ist die Gewichtsskala bis zur Planck-Masse voll von Teilchen (Dunkle Materie?).

Prozesse des Standardmodells

Bild 1: Emission eines Photons

Das Standardmodell beschreibt, wie Fermionen das Aussenden von Bosonen veranlassen [Video-4]. Dies wird graphisch in sog. Feynman-Diagrammen dargestellt (Bild 1 bis 3). Gerade Linien stehen für den Weg den Fermion nehmen. Fermionen haben Masse, daher werden sie durch gerade solide Linien dargestellt. Bosonen werden durch Wellenlinien dargestellt.

In Bild 1 emittiert ein Elekron e ein Photon γ. Die Zeitachse zeigt im Bild nach oben.

Wenn es um geladene Teilchen und Felder geht spricht man von Quantenelektrodynamik.

Bild 2: Emission eines Gluons

Weiteres Beispiel: Ein Quark q kann ein Gluon g aussenden (Bild 2). Dies wird genau gleich wie in Bild 1 dargestellt. Das Quark ist ein Fermion und wird daher mit einer geraden soliden Linie dargestellt. Das Gluon ist ein Boson und wird daher mit einer Wellenlinie dargestellt.

Weil ein Quark auch eine elektrische Ladung hat, kann es auch ein Photon emittieren. Elektronen jedoch können keine Gluonen emittieren. Gluonen binden Quarks zu Protonen und Neutronen zusammen.

Bild 3: Emission eines Z-Bosons

Da Neutrinos elektrisch neutral sind, können sie keine Photonen emittieren. Sie können auch keine Gluonen emittieren. Aber sowohl Elektronen e, als auch Neutrinos ν und Quarks q können Z-Bosonen Z emittieren (Bild 3).

Weil ein Z-Boson elektrisch neutral ist, ändert sich die Ladung der Teilchen beim emittieren eines Z-Bosons nicht.

Warum sind einige Bosonen masselos?

Das Photon ist masselos, weil es sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Alles was sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, kann keine Masse haben, denn alles was Masse hat, kann Lichtgeschwindigkeit nicht erreichen. [Video-5]

 Kann etwas schneller sein als Lichtgeschwindigkeit?

Könnte man eine Theorie entwickeln, in welcher Photonen eine Masse haben?

Ja! Aber viel wichtiger ist, dass wir eine Theorie entwickeln können, in welcher Photonen keine Masse haben! Warum? Weil ein Photon in der Natur nun mal keine Masse hat!

Mit derselben Theorie würden auch Gluonen und Z-Bosonen keine Masse haben. Z-Bosonen und W-Bosonen haben jedoch eine relativ grosse Masse!

Quelle: Prof. Leonard Susskind

Informationen zum BildLeonard Susskind beim Vortrag über das Higgs-Boson

Diese Seite ist Teil meiner Deutsch-Übersetzung Higgs-Boson entmystifiziert des Vortrages Demystifying the Higgs Boson von Prof. Leonard Susskind vom 30.07.2012 an der Stanford University.

Prof. Leonard Susskind ist ein US-amerikanischer theoretischer Physiker und Mitbegründer der Stringtheorie. Er gibt seit vielen Jahren öffentliche Vorlesungen in Physik für ein interessiertes Publikum.

Demystifying the Higgs Boson with Leonard Susskind; Youtube; Position 21:08
Modul number 2: the standard model.
http://www.youtube.com/watch?v=JqNg819PiZY#t=21m08s
Demystifying the Higgs Boson with Leonard Susskind; Youtube; Position 23:20
The particles of the standard model.
http://www.youtube.com/watch?v=JqNg819PiZY#t=23m20s
Demystifying the Higgs Boson with Leonard Susskind; Youtube; Position 21:18
First of all, particle have mass.
http://www.youtube.com/watch?v=JqNg819PiZY#t=21m18s
Demystifying the Higgs Boson with Leonard Susskind; Youtube; Position 26:55
What do this particles do?
http://www.youtube.com/watch?v=JqNg819PiZY#t=26m55s
Demystifying the Higgs Boson with Leonard Susskind; Youtube; Position 29:26
Why are the bosons massless?
http://www.youtube.com/watch?v=JqNg819PiZY#t=29m26s

Weitere Informationen

Standardmodell; Wikipedia
https://de.wikipedia.org/wiki/Standardmodell
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