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Inhalt↓ 1/51

12 wesentliche Entdeckungenin der Physik der Elementarteilchen

Prof. Dr. Jörn Bleck-Neuhaus, Universität Bremen

Fachbereich Physik/Elektrotechnik Jan 2007

Eine kurze Zusammenfassung

von 100 Jahren Forschung

J.Bleck-Neuhaus (Universität Bremen Fachbereich 1 Physik/Elektrotechnik) Inhalt↓ 2/51

Elementare Teilchen vs. Klassische Physik

I. Klassische Physik (und ein wenig über Quanten)

II. 12 Entdeckungen mit Elementaren Teilchen

Inhalt





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 Typen der 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 Zustände12. Drei verletzte Symmetrie-Gesetze

InhaltInhalt





III. Resumé











InhaltInhalt


• Mechanik

• Newton

• Einstein

• Newton

• Coulomb / Lorentz

1 22

1

1 ?/ ?

( )

c

dpF

dt

p m

m mF

r

F q E B

−

=

=

=

= + ×

rr

rr

r

r r rr

υ

υ

γ

υ

• Elektrodynamik

• Maxwell-Gleichungen

0

0

1

0

1?

div E

div B

Brot E

t

Ec rot B j

t

=

=

∂=−

∂

∂⋅ = +

∂

r

r

rr

rr r

ρε

ε

I. Die ganze klassische Physik

(so zusammengefasst in Feynman Lectures on Physics; Bd. 2)


I. Die ganze klassische Physik

• Wellenmechanik

• Wellenfunktion

• Schrödinger-Gleichung

• Welle-Teilchen-Dualität

• Wahrscheinlichkeits-Amplitude

• Superposition und Interferenz

• Quantisierung von

• Energie

• Impuls

• Drehimpuls

• Spin

• Gebrochene Quantenzahl

– und ein wenig von Quanten

( )/ 2n h π⋅

( / ) 0,1, 2,3n h Länge a n⋅ = K

2( / 2 )1 h π

Ausgangspunkt für die Frage:

Was bringen die Elementarteilchen Neues?





III. Resumé











InhaltInhalt


• 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. 2 (1 0.001159 652188 ) ( 4)g

e= ⋅ + ±±

magnetisches Moment" "

Sping Faktor− =

#1: Es gibt Elementarteilchen!


• 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.)

#1: In der klassischen Physik kann es keine Elementar-Teilchen geben





III. Resumé











InhaltInhalt


• 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):

• 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. ß-

Radioaktivität)

Die Fermionen erfüllen zwei Erhaltungssätze für die Teilchenzahl:

• die Zahl der Leptonen bleibt konstant

• die Zahl der Quarks bleibt konstant

Quanten der stabilen Materie

Die Bosonen können ohne Beschränkung der Zahl erzeugt oder vernichtet werden

Quanten der Strahlungs- oder Kraftfelder

An

tite

ilch

en

w

erd

en m

it -

1 g

ezäh

lt

=> der Kern des Standard-Modells in der Elementarteilchen-Physik

1S = h

12S = h

#2: Es gibt nur wenige Arten von elementaren Teilchen


#2: Die klassische Physik ?

kann zu den Typen von Elementaren Teilchen auch nichts sagen.





III. Resumé











InhaltInhalt


• 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 : 0

Anwendungsbeispiel :

ˆ 0 Zustand mit 1 Teilchen mit Impuls p pa pψ += =

ˆ: pp a

ˆ: pp a+

#3: Elementare Teilchen kann man erzeugen und vernichten


• 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

Erscheinen oder Verschwinden eines materiellen Gegenstands war Zauberei oder Teufelswerk (und wurde entsprechend geahndet).

Aber der Massendefekt in den Kernen ?

Relativitätstheorie (1905): oder?E mc= ?E m cΔ =Δ ⋅

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)

#3: Klassische Physik kennt weder Erzeugung noch Vernichtung von Materie.





III. Resumé











InhaltInhalt


• Jedes Fermion existiert in 2 Formen: Teilchen oder Antiteilchen

• Teilchen oder Antiteilchen unterscheiden sich lediglich durch das Vorzeichen der Ladung (Ladung jeden Typs).

Beispiel der Vernichtungsstrahlung:

1 2e e γ γ+ −+ ⇒ +

Folge für ein Paar Teilchen-Antiteilchen

zusammen haben sie Ladung Null zusammen können sie verschwinden, ohne einen der

Ladungserhaltungssätze zu verletzen: Prozess der Paar-Vernichtung die Energie, der Impuls und der Drehimpuls bleiben dabei erhalten:

andere Teilchen (Bosonen) oder Paare Teilchen-Antiteilchen (Fermionen) entstehen und fliegen weg: Vernichtungsstrahlung

1γ+

-

2γ1 2

1 2

? ? 2 511

0e e

e e

m c m c keV p c p c

p p p pγ γ

+ −

+ −

+ = ⋅ = +

+ = = +r r r r

#4: Es gibt Anti-Teilchen


#4: Klassische Physik und Anti-Teilchen?

Fehlanzeige





III. Resumé











InhaltInhalt


Teilchen (einer Sorte)

• sind nicht nur vollkommen gleich,

• sondern mehr: ununterscheidbar

Frage: welches Elektron wurde herausgenommen – “A” oder “B” ??

d.h., sie haben exakt die gleichen Eigenschaften (Masse, Spin, Ladung(en) …)

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

#5: Teilchen sind ununterscheidbar


• den 2-Teilchen-Zustand erzeugen:

• Vernichtungs-Operator für Zustand φ1 :

• ein Elektron im Zustand φ1 extrahieren:

für die Durchführungder Rechnung:

( )( )

1

1

2

1

2

1

2

1

1 2

1 2

ˆ ˆ 0

ˆ ˆ ˆ

ˆ 0ˆ ˆ

a a

a a a

a a a

ψ ψ

ψ ψ

ψ ψ

ϕ

ϕ

+ +Ψ = ⋅

= −

+Ψ = =K

das Resultat ergab sich automatisch richtig

1 1 1 12 2 2ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ0 0 ( ) ;a die Zahl Null a a a aψ ψ ψ ψ ψ ψ ψδ+ += ⋅ = − ⋅

Ein weiterer Vorteil der 2. Quantisierung:

damit ein Teilchen seinen Zustand wechselt

bietet sich der Übergangs-Operator

2 1

1 2

ˆ ˆa aψ ψ

ψ ψ+ ⋅

( “Quantensprung” )

( “wirf eins weg, mach dir ein neues - sind doch identisch!” )

#5: Identische Teilchen in 2. Quantisierung

kein Platz mehr für die „dumme“ Frage: wo ist das Elektron während des Sprungs?


• Statistische Mechanik ln( )BS Pk= ⋅Entropie = Boltzmann-Konst. x

log( Anzahl möglicher Realisierungen des gleichen Makro-Zustands )

Zwei Gase:

“ Gibbssches Paradox “ : diese Entropiezunahme ist falsch

1 2totalS S S= +N1 , P , T , S1 N2 , P2 , T2 , S2 ln( ( 1 2))Bk P N N+ ⋅ ⇔

Anzahl der Realisationen mit Austausch von Teilchen zwischen beiden Teilvolumen

N2 , P , T , S2

Lösung per (Koch-)Rezept: (kaum verstanden vor der Entdeckung der Quantenmechanik ):

- die Möglichkeiten der Vertauschung “gleicher” Teilchen einfach nicht beachten -

#5: Klassische Physik und ununterscheidbare Teilchen ?

gleiche Gase:


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.

#5: Klassische Physik und ununterscheidbare Teilchen ?





III. Resumé











InhaltInhalt


• Schwache Wechselwirkung• zwischen allen Fermionen (und W±, Z°)• bewirkt durch das Boson W± oder Z°)

• Elektromagnetische Wechselwirkung• zwischen allen Teilchen mit elektrischer Ladung• bewirkt durch das Photon γ

• Starke Wechselwirkung• zwischen Quarks (und Gluonen)• bewirkt durch das Gluon g

Wie lassen diese 3 Wechselwirkungen die uns bekannte Welt entstehen?

• 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 aus dem gleichen Grund stabil ist)

... mehr

} vereinigt in der „elektro-schwachen Wechselwirkung“

#6: Es gibt nur 3 Arten der Wechselwirkung (und Gravitation)


(Forts.)

• die elektromagnetische WW macht, dass 2 Atome H sich anziehen um ein Molekül H2 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

• die elektromagnetische WW bewirkt alle Arten der chemischen Bindung und bestimmt alle ihre Eigenschaften (Typ ionisch...kovalent, Bindungs-Energie, Bindungs-Abstände und Orientierung, Elastizität, chemische Valenz)

• die elektromagnetische WW ist verantwortlich 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.

#6: Es gibt nur 3 Arten der Wechselwirkung (cont.)


Wechselwirkungen auf der Ebene der elementaren Teilchen

• “Mechanische” Kraft (incl. Druck, Zug, Drehmoment, ...)

• Reibung

• Adhäsion

• Elektrostatische Coulomb-Kraft

• Magnetismus (Stab- / Elektro-Magnet)

• Lorentz-Kraft

• Gravitation

• ...?

• Elektromagnetische WW

• Schwache WW

• Starke WW

• eine Quantentheorie der Gravitation gibt es noch nicht

#6: Wieviel Wechselwirkungen kennt die klassische Physik?

(direkt oder mittelbar über Stabilität und feste Form der Moleküle / der festen Körper etc.)





III. Resumé











InhaltInhalt


f ip p p F tΔ = − = ⋅Δrr r r

• Wechselwirkung klassisch:

• es wirkt eine Kraft

und ändert den Zustand

• Wechselwirkung quantentheoretisch (z.B. Elektromagnetisch)

• Hamiltonian

ändert den Zustand

0 /(freie Teilchen) ( )ˆ ˆ ˆ WechselwirkungH H H= +

Fr

ˆi t HΔ Ψ = ⋅Δ ⋅ Ψh

muss Prozesse Emission/Absorption

ermöglichen!

erzeugt ein Photon vernichtet ein Photon {

Zustandsänderung des Elektrons Kopplungs-konstante

Ansatz

#7: Wechselwirken: ein Feldquant emittieren oder absorbieren


Elektronen und Photonen mit allen möglichen Impulsen pi , pf , Δpγ müssen an Emission und Absorptionsprozessen teilnehmen dürfen:

…. ergibt:

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 Positrons Messung :

QED :

#7: Wechselwirken ist: ein Feldquant emittieren oder absorbieren /2

/

,

/ /

,

(elmag. ) ( ) ( )WW Emission Absorptionˆ ˆ ˆf ip p p

H H HΔ

= +⎡ ⎤⎣ ⎦∑

nur die Kombinationen, die den Impulserhaltungssatz erfüllen!

2 (1 0.001159 652188 ) ( 4)

2 (1 0.001159 652183 )

gege

= ⋅ + ±±

= ⋅ +±

weiteres Ergebnis (nicht weniger spektakulär):

nicht nur die elektromagnetischen Wellen der klassischen Physik,

auch die statischen Felder und

ergeben sich schon aus dem minimalen Ansatz für !

r rE B

ˆ (elm. WW)H ′


#7: Kräfte und Wellen in der klassischen Physik

• Kraft drückt sich durch eine Änderung des Impulses eines Körpers aus

• 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 eines anderen geladenen Körpers erzeugt

• bewegt sich dieser, folgt das Feld an einem entfernten Ort nur mit Verzögerung

• erreicht die Welle einen Körper, wirkt sie auf ihn gemäß ihrer Feldstärke am Ort des Körpers

f ip p pΔ = −r r r

( ) ( )F r q E r= ⋅r rr rp F tΔ = ⋅Δ

rr

20( ) 1 4E r Q rπε= ⋅

r

• eine Welle entsteht

• Energie kann absorbiert werden (oder emittiert)

• wie entwickelt die klassische Physik das Konzept der Wechselwirkung ?• wie und wann kommen Wellen ins Spiel ?

Qu

anten

-Ph

ysik

zuerst d

ie Kraft, zu

letzt die W

elle





III. Resumé











InhaltInhalt


Lösung:

eine der 3 Linien im Diagramm gehört zu einem virtuellen Zustandl

“reale Welt”: ( ) ( )2 22 ?E pc mc= +

“virtuelle” Welt: ( ) ( )2 22 ?E pc mc≠ +

notwendige Folge der

Relativitäts-Theorie

Problem: der fundamentale Prozess der QED

.... ist verboten, weil er die Erhaltung von E und p verletzt

/( )emisiónˆ ˆ ˆ ˆ

f i pp pH g a a cγΔ= ⋅ + +⋅ ⋅

ipr

fpr

pΔr

●im Schwerpunkt-System: E=mc2

-reicht nicht für γ und bewegtes Elektron

# 8. Virtuelle Zustände : eine notwendige Neuheit

• “ Teilchen wirken auch aus Zuständen heraus, in denen sie in der beobachtbaren Welt nicht vorkommen können ”


•Wechselwirkung quantentheoretisch (Erinnerung)

•Hamiltonian

Änderung des Zustands

0 /(freie Teilchen) (Wechselwirkung)ˆ ˆ ˆH H H= +

ˆi t HΔ Ψ = ⋅Δ ⋅ Ψh

# 8. Virtuelle Zustände: Realität in den Formeln 2. Ordnung

( )21

2ˆ ˆi t H H⋅Δ ⋅ ⋅+ +Ψh L

1ipr

2fpr

1pΔr

●

2ipr

2fpr

2pΔr ●

( )( )1 1 2 2

21 2

ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆf i f ip p

alle pp p p pH H g a a c a a cΔ Δ= ⋅+ + +⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ +∑K K

1 4 42 4 43 1 4 42 4 43/( )EmissionH/

( )AbsorptionH

Auswahl: nur Summanden mit

1 2p pΔ =Δr r

der gesamte Prozess erhält

E und p


1ipr

2fpr

pΔr●

2ipr

2fpr

●

hinein: 2 reale Elektronen mit Impulsen pi1 und pi2

heraus: 2 reale Elektronen mit Impulsen pf1 und pf2

Elektron pi2 gibt den Impuls Δp abund ändert seine

Energie entsprechend um

+ΔE

Elektron pi1 erhält den Impuls Δp

und ändert seine Energie

entsprechend: −ΔE

reale Welt vor dem Prozess

reale Welt danach

das Photon: • erscheint weder vorher noch nachher, lediglich im Diagramm (bzw. Formel)• lässt aber Δp und ΔE von einem Elektron zum anderen übergehen• muss nicht ΔE=cΔp erfüllen – die Gleichung der realen Photonen.

das virtuelle Photon

das virtuelle Photon

# 8. Virtuelle Zustände: Realität in den Formeln 2. Ordnung

das Diagramm genauer betrachtet:


# 8. Virtuelle Zustände: Wechselwirkung ist Bosonen-Austausch

ee

γ● ●e e

e

rqrbg

● ●bq

rq

bq

W±●

μν

μ

e

●eν

0Z●

μνe

●e μν

• elektromagne-tische WW

• schwache WW

• starke WW

(und andere Kombinationen der „Farb-Ladungen“ r,g,b)





III. Resumé










4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände12. Mehr Ladungen und Erhaltungssätze

InhaltInhalt


Das Feynman-Diagramm

#9: Sprache der Feynman-Diagramme

unendliche Reihe (konvergent??) der Störungsrechnung, Glied 2. Ordnung:

• Grafische Representation der exakten Formel für die Übergangswahrscheinlichkeit zwischen Quanten-Zuständen

eγ● ●

e e

e

( )( )1 1 2 2

2ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆf i f i

alle pp p p pp pH H g a a c a a c= ⋅ Δ Δ+ + +⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ +∑K K

interne Linie

t

externe Linien

Welt der realen

Teilchen

verborgene Welt der virtuellen Teilchen

•Wechselwirkung quantentheoretisch (Erinnerung)•Hamiltonian

Änderung des Zustands

0 /(freie Teilchen) (WW)ˆ ˆ ˆH H H= +

ˆi t HΔ Ψ = ⋅Δ ⋅ Ψh ( )21

2ˆ ˆi t H H⋅Δ ⋅ ⋅+ +Ψh L


#9: Feynman-Diagramme (Beispiele)

e′γ

● ●

e

e

Stoß geladener Teilchen

(Elektromagnetische WW)

p

wenn E<0 : gebundene Zustände

durch Coulomb-Anziehung

Stoß eines Photons mit einem geladenen Teilchen (Compton-Effekt)

●

●γi

γ f

fe

ie

+e'●

●

γ f

γi

fe

ie

e'

Erzeugung eines Paars Teilchen-Antiteilchen

e

f−e

● ●

γi

f+e

e' ●

N

′γ

p

1ipr

2fpr

1pΔr

●↑ Teilchen↓ Anti-Teilchen





III. Resumé











InhaltInhalt


#10. Umwandlungen der Teilchen ineinander

Beispiele:

• Ursache der Radioaktivität ß

• “Zerfall“ der Myonen

• “Zerfall“ der Pionen

•

• Erzeugung „seltsamer“ (strange) Teilchen

• Zerfall „seltsamer“ (strange) Teilchen

• .........

( )

n p e v

e v v

v

n K

K

μ

π μ

π γ γπ

π π π

→ + +

→ + +

→ +

→ +

+ → Λ+

→ + +

e

e μ

μ

−

− −

+ +

0

+ +

0 + − 0

• 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 1950/60ern, vor der Entdeckung der Quarks )


#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 !





III. Resumé










4. Anti-Teilchen 8. Virtuelle Zustände 12. Drei verletzte Symmetrie-Gesetze

InhaltInhalt


• elektrische Ladung

• Schwache Ladung

• Farb-Ladung

• e-Leptonen-Flavor

• μ-Leptonen-Flavor

• τ-Leptonen-Flavor• 6 Quark-Flavors

(d,u,s,c,b,t)

• Baryonen-Ladung

• Leptonen-Ladung

- ermöglicht Emission/Absorption von Photonen

- ermöglicht Emission/Absorption von W± , Z°

- ermöglicht Emission/Absorption von Gluonen

- eingeführt um sagen zu können: “diese Ladungen können nur durch Schwache WW verändert werden, für die Starke und Elektromagnetische WW sind sie erhalten”

- (desgleichen)

- eingeführt, um die Erhaltung der Baryonen-Zahl (je 3 Quarks) beschreiben zu können

- eingeführt, um die Erhaltung der Leptonen-Zahl beschreiben zu können

}

Ab

solu

te

Erh

altu

ng

# 11. Weitere Arten von “Ladung”





III. Resumé











InhaltInhalt


# 12. SYMMETRIE-GESETZE in der klassischen Physik

← ... in der Zeit

← im Ort

← des gemeinsamen Dreh-Winkels

drei diskrete Transformationen

← Spiegelung räumlich P

← Spiegelung der elekt. Ladung C

← Spiegelung der Zeitrichtung T

(r - r)

(q - q)

(t - t)

→→→

r rSymmetrie / Invarianz:

Spiegel-Symmetrie

Ladungs-Umkehr-Invarianz

Zeit-Umkehr-Invarianz

– Erhaltung der Energie– Erhaltung des Impulses– Erhaltung des Drehimpulses– Erhaltung der elektrischen Ladung

interpretiert als Folge einer universell geltenden Invarianz der Prozesse und der Gleichungen

gegenüber kontinuierlichen Verschiebungen ...

alle gelten streng in der klassischen Physik


# 12. SYMMETRIE-GESETZE in der klassischen Physik

← ... in der Zeit

← im Ort

← des gemeinsamen Dreh-Winkels

← der gemeinsamen (q.m.) Phase

drei diskrete Transformationen

← Spiegelung räumlich P

← Spiegelung der elekt. Ladung C

← Spiegelung der Zeitrichtung T

(r - r)

(q - q)

(t - t)

→→→

r rSymmetrie / Invarianz:

Spiegel-Symmetrie

Ladungs-Umkehr-Invarianz

Zeit-Umkehr-Invarianz

– Erhaltung der Energie– Erhaltung des Impulses– Erhaltung des Drehimpulses– Erhaltung der elektrischen Ladung

interpretiert als Folge einer universell geltenden Invarianz der Prozesse und der Gleichungen

gegenüber kontinuierlichen Verschiebungen ...

Quantenmechanik

Erhaltung der Paritätverletzt durch die Schwache Wechselwirkung

← 3 Spiegelungen kombiniert PCTSymmetrie Teilchen-Antiteilchenalle gelten streng in der klassischen Physik

PCT ist eine der fundamentalen Symmetrien der Elementarteilchenphysik


Erhaltungssätze in klassischer Physik und bei den Elementarteilchen

► stark erweiterter Gebrauch von Erhaltungssätzen

• 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:

– 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”.





III. Resumé











InhaltInhalt


12 Beobachtungen und neue Konzepte :

III. Resumé: elementare Teilchen vs. klassische Physik












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? • oder eher für den gesunden Menschenverstand ?

• 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 ?– ........?.........

Danke !

inhalt 1/51 12 wesentliche entdeckungen in der physik der elementarteilchen prof. dr. jörn...

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