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Standardmodell – Ordnungssystem für Quarks 13:22 min

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Transkript Standardmodell – Ordnungssystem für Quarks

Hallo und herzlich Willkommen bei einem Video von Doktor Psi. Unser heutiges Thema ist die Elementarteilchenphysik, ein hoch spannendes Gebiet und auch immer wieder aktuell. Denn etwa ein Drittel aller Nobelpreise werden diesem Forschungsgebiet gewidmet. Und gleichzeitig damit ist dieses Gebiet auch charakterisiert durch bemerkenswerte Extrema. Die interessierenden Teilchen sind sehr, sehr, sehr klein. Man kann sie etwa anordnen im Bereich von zehn hoch minus 18 Meter und kleiner, aber der Aufwand und die Abmessungen von Apparaturen, mithilfe derer man die Teilchen nachweisen kann, die sind recht groß. Ja fast riesengroß. Hat auch eine Apparatur im CERN einer Teilchenbeschleuniger bei Genf etwa einen Umfang von 27 Kilometer. Werfen wir also einen Blick hinter die Kulissen. Die Quantenelektrodynamik, also die Verbindung von Quantenmechanik und Relativitätstheorie, führte zu Ergebnissen, die unter anderem so zu interpretieren waren, dass es Teilchen geben müsste, das alle Eigenschaften eines Elektrons aufweist, aber es sollte eine Ladung tragen, die positiv war. Elektron hat also eine negative Ladung und das neue Teilchen, das den Namen Positron erhielt, das hat eine positive Ladung. Ein solches Teilchen war in der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts noch unbekannt, aber tatsächlich wurden solche Teilchen in der Höhenstrahlung gefunden. Und wenn man das Gesagte verallgemeinert, dann kann man sagen, dass es zu jedem Teilchen, das vorhanden ist, ein Antiteilchen gibt. Also wir können verallgemeinert sagen: es gibt Teilchen. Wir kürzen mal diese Elementarteilchen sinnigerweise mit ET ab. Und es gibt dazu Antiteilchen. Und die nennen wir einfach mal AET. Und in diesem Zusammenhang spricht man auch gern von Materie und Antimaterie. Und man kann auch die entsprechenden Teilchen beziehungsweise Antiteilchen näher charakterisieren, insofern, also dass man ihnen eine Eigenschaft, zum Beispiel der Masse, zuordnet. Und man kann als erste Eigenschaft sagen, dass die Masse der Elementarteilchen gleich ist der Masse der entsprechenden Antiteilchen. Also Beispiel Elektron und Positron haben die gleiche Masse. Wenn man die Ladungen sich anguckt, dann gilt, dass die Ladungen entgegengesetztes Vorzeichen haben. Das hatten wir gesagt beim Elektron, das hat eine negative Ladung, und das Positron, das hat eine positive Ladung. Und dann gibt es noch eine dritte Eigenschaft. Wenn ein ET auf ein AET trifft-. Also wir kürzen das mal ab: ET plus AET, dann wird Energie frei. Versinnbildlicht man das mal in einer Abbildung, so sehen wir hier Elektron und Positron treffen aufeinander und wir sehen hier, dass zwei Gammaquanten frei werden, die sich nach oben und nach unten hin bewegen. Das sind dann entsprechend Protonen und dieser ganze Vorgang wird mit Paarvernichtung bezeichnet. Ja bis hierher sieht es eigentlich recht einfach aus und überschaubar, aber nun kommt es: mit der Zeit und mit stärker werdenden Teilchenbeschleunigern wurden mehr und mehr Teilchen und entsprechend Antiteilchen entdeckt. Und dabei knüpften die Physiker an Streuexperimente an, die denen von Rutherford sehr ähnelten. Ja schauen wir uns mal näher an, was dahinter steckt. Mithilfe von hochenergetischen Elektronen, die in immer größeren Teilchenbeschleunigern produziert wurden wie zum Beispiel im Desy bei Hamburg oder im Cern bei Genf, fand man, dass zum Beispiel Protonen im Inneren nicht strukturlos sind, sondern, dass deren Ladung im Inneren nicht gleichmäßig verteilt ist. Wir sehen in diesem Bild die Anordnung eines solchen Streuexperimentes, das analog dem von Rutherford durchgeführt wurde. Man hat hier drei Ladungszentren lokalisiert, und zwar zwei mit Plus zwei Drittel der Elementarladung. Man bezeichnet das mit up oder abgekürzt u. Und eines mit ein Drittel, und zwar minus ein Drittel, genannt down, kurz d. Und wenn man sich diese Anordnung für das Proton und das Neutron ansieht, kann man dort sehen, dass die drei Ladungen im Neutron mit ddu gekennzeichnet werden kann. Und wie man hier sieht addiert man die jeweiligen Ladungen. Dann erhält man die positive Ladung des Positron, des Protons oder die Neutralität des Neutrons. Und als Bezeichnung für diese Teilchenart wurde der Name Quarks gewählt. Das ist ein Kunstwort genommen aus Finnegangs Weg von James Joyce. Nun wir hatten oben gesagt, dass es zu jedem ET ein AET gibt, also muss das auch für Quarks gelten. Und tatsächlich es gibt sie auch. Wir sehen hier tatsächlich in dieser Tabelle die einzelnen Quarks mit ihrer Bezeichnung. Allerdings, das sollte man beachten, Quarks sind nicht einzeln beobachtbar. Nur noch ein Wort zu den Massen unserer Elementarteilchen. Die Masse wird in Einheiten der Ruheenergie angegeben. Der Zusammenhang zwischen Energie, den siehst du hier: E null gleich M null mal C Quadrat. Dabei gilt, dass ein u und u steht für die atomare Masseneinheit. Das sind eins Komma sechs sechs mal zehn hoch minus 27 Kilogramm. Und das ist etwa gleichzusetzen oder entspricht 940 Komma fünf Megaelektronenvolt. Also beachte nochmal usd, sogenannte atomare Masseneinheit. Ja und in diesem Zusammenhang teilt man die Teilchen in schwere, mittlere und leichte Teilchen ein. Wir können sie hier kennzeichnen mit den Begriffen Baryonen. Die werden allgemein als schwer bezeichnet. Dann haben wir die Mesonen. Die gehören einer mittelschweren Teilchenart an. Und die Leptonen, die sind vergleichsweise leichte Teilchen. Und die Begriffe schwer, mittel und leicht findet man hier wieder, wenn man den griechischen Ursprung dieser Teilchenbeschreibung sich einmal ansieht. Nun wir haben hier wieder eine Menge Informationen über die Elementarteilchen, aber die Entwicklung blieb natürlich hier nicht stehen. Nun wie es weiterging, wollen wir uns im nächsten Schritt ansehen. Ja es wurden mehr und mehr Teilchen entdeckt. Es ging in die Hunderte. Und die Physiker sprechen in diesem Zusammenhang von einem Teilchenzoo. Und um Ordnung in ein solches Durcheinander und eine solche Vielfalt von Teilchen zu bringen wurde ein sogenanntes Standardmodell der Teilchenphysik geschaffen. Und darunter versteht man ein Modell, dass Teilchen ihre Massen – und Wechselwirkungskräfte im Zusammenhang betrachtet. Wir sehen hier ein solches Abbild eines Standardmodells. Und wir haben uns im Wesentlichen hier nur auf die Teilchenbezeichnung und ihre Massen beschränkt, Inzwischen gibt es also drei, wie wir hier sehen drei von Generationen von Quarks und diese Generationen sind dadurch charakterisiert, dass man den Quarks immer mehr Eigenschaften zugeordnet hat, um sie einfach unterscheiden zu können. Und in diesem Teilchenzoo beziehungsweise in diesem Standardmodell sehen wir die Elementarteilchen Quarks und darunter die Leptonen. Dazu wird allerdings an anderer Stelle noch einiges zu sagen sein. Ja zum Schluss noch eine kleine Anmerkung zu einer theoretischen Voraussage unseres Standardmodells: dieses Standardmodell erlaubt auch die Existenz von Teilchen, die mehr als drei Quarks aufweisen. Es soll sogar ein Pentaquark geben, also ein Teilchen, das aus fünf Quarks aufgebaut ist. Seine Existenz ist allerdings bis heute noch nicht eindeutig nachgewiesen. Ja damit bleibt noch viel zu tun im Bereich der Elementarteilchenphysik. Ja fassen wir das Gelernte einmal kurz zusammen: Wir haben uns heute mit sehr, sehr kleinen Teilchen befasst, also Elementarteilchen. Dabei sind uns Elektron und Positron begegnet, also Teilchen und Antiteilchen oder Materie und Antimaterie. Und wir können also jedem Teilchen auch ein entsprechendes Antiteilchen zuordnen, wobei die Massen gleich sind, die Ladungen jedoch unterschiedlich. Und im Verlaufe der Zeit wurden immer mehr Teilchen entdeckt, sodass man auch von einem Teilchenzoo sprechen kann und wir haben das letzten Endes in ein Standardmodell so umgewandelt, dass dieser Teilchenzoo eine bestimmte Ordnung kriegt. Ja das war's für heute. Ich hoffe es hat dir etwas Spaß gemacht und vielleicht sehen wir uns wieder bei einem der nächsten Videos von Doktor Psi.

Standardmodell – Ordnungssystem für Quarks Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Standardmodell – Ordnungssystem für Quarks kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib an welche Teilchen zu den Elementarteilchen zählen.

    Tipps

    Mit den Elementarteilchen können wir den Aufbau der Materie erklären.

    Man unterscheidet Elementarteilchen unter anderem nach ihrer Masse.

    Lösung

    Mit den Elementarteilchen können wir den Aufbau der Materie erklären.

    Dabei unterscheidet man diese nach unterschiedlichen Kriterien wie etwa ihrer Masse oder Ladung.

    So ergibt sich ein Modell, in welches auch neue Teilchen integriert werden können.

    Eine wichtige Unterscheidung ist dabei die nach der Masse der Teilchen.

    Die leichtesten Elementarteilchen werden zu den Leptonen gezählt. Ein Vertreter der Leptonen ist etwa das Elektron.

    Die Klasse der mittelschweren Elementarteilchen bezeichnet man als Mesonen.

    Die schwersten Teilchen werden als Baryonen bezeichnet.

    Protonen hingegen zählen nicht zu den Elementarteilchen, denn ein Proton besteht aus drei Quarks, also drei Elementarteilchen.

    Ähnliches gilt für das Neutron. Auch dieses besteht aus mehreren Elementarteilchen, kann also nicht zu den kleinsten Teilchen gezählt werden.

  • Gib an, welche Apparaturen man benutzt, um Elementarteilchen nachzuweisen.

    Tipps

    Die Physik der Elementarteilchen befasst sich mit Teilchen der Größenordnung $10^{-18} m$.

    Nur sehr hochenergetische Stöße setzen nun die kleinsten Elementarteilchen frei.

    Lösung

    Die Physik der Elementarteilchen befasst sich mit Teilchen der Größenordnung $10^{-18} m$.

    Um diese kleinsten Bauteile der Materie freizusetzen, bedarf es allerdings sehr großer Apparaturen, die mehrere $km$ groß sein können.

    Ziel ist es, mit diesen Apparaten die Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen, um diese miteinander stoßen zu lassen. Diese sehr hohen Geschwindigkeiten bringen natürlich sehr hohe kinetische Energien mit sich.

    Die hochenergetischen Stöße setzen nun die kleinsten Elementarteilchen frei.

    Stelle dir einen Apfel vor, den du einmal ganz leicht und einmal mit voller Wucht gegen die Wand wirfst. Je schneller der Apfel auf die Wand trifft, desto stärker wird dieser zerbersten. Ähnlich verhält es sich auch mit Atomen und Molekülen.

    Man verwendet dazu entweder Linearbeschleuniger, die Teilchen auf einer geraden Strecke bewegen, oder Large Hydron Collider, die häufig eine Kreisbewegung vorgeben.

  • Berechne die Massen und Energien.

    Tipps

    Masse und Energie sind äquivalent.

    $u = 1,66 \cdot 10^{-27} kg = 940,5 MeV $

    $1 MeV = 1,765 \cdot 10^{-30}$

    Lösung

    Masse und Energie sind äquivalent, sodass aus einer Masse immer eine Energie berechnet werden kann, und umgekehrt.

    Diesen Zusammenhang wies Albert Einstein nach. Er formulierte auch die vielleicht bekannteste Formel der Physik $ E = m \cdot c ^2 $.

    Darin ist $m$ die Masse, $E$ die Energie und $c$ die Lichtgeschwindigkeit.

    Für sehr geringe Massen wie die der Elementarteilchen verwenden wir daher oft die Energie, um die Ruhemasse anzugeben.

    Dabei entspricht die atomare Masseeinheit $u = 1,66 \cdot 10^{-27} kg = 940,5 MeV \to 1 MeV = 1,765 \cdot 10^{-30} kg$.

    Für ein Elektron, welches mit $0,511 MeV$ in der Literatur angegeben ist, errechnet sich die Masse in etwa zu $5,486 \cdot 10^{-4} u = 9,11 \cdot 10^{-31} kg $.

    Du siehst: Das ergibt sehr geringe Zahlen, die nicht besonders handlich zu berechnen sind. Deshalb wird die Äquivalenz von Energie und Masse hier genutzt, um die numerische Darstellung zu vereinfachen.

  • Bezeichne die Wechselwirkung von Teilchen und Antiteilchen.

    Tipps

    Wenn nun aber jedes Teilchen ein Antiteilchen besitzt, und Teilchen und Antiteilchen sich gegenseitig aufheben, wie kommt es dann, dass das Universum nicht leer ist?

    Treffen ein Teilchen und ein Antiteilchen aufeinander, läuft ein Elementarprozess ab.

    Lösung

    Treffen ein Teilchen und ein Antiteilchen aufeinander, läuft ein Elementarprozess ab.

    Dabei neutralisieren sich Teilchen und Antiteilchen, das heißt, die an dem Prozess teilnehmenden Teilchen werden bei dem Prozess zerstört.

    Zusätzlich werden bei Interaktion der Teilchen Austauschteilchen frei.

    Diese entfernen sich rechtwinklig vom Ort des Stoßen und können zum Beispiel Photonen sein.

    Wenn nun aber jedes Teilchen ein Antiteilchen besitzt und Teilchen und Antiteilchen sich gegenseitig aufheben, wie kommt es dann, dass das Universum nicht leer ist?

    Eine umfassende Antwort auf die Frage zu finden, ist Aufgabe des Standardmodell und der Physik der Elementarteilchen.

    Nicht zuletzt aus diesem Grund sind dieses vielversprechende Teilbereiche der Physik und sie werden bei der Vergabe des Nobelpreises häufig berücksichtigt.

  • Untersuche die Zusammenhänge in der Quantenelektrodynamik.

    Tipps

    $Teilchen + Antiteilchen \to Energie$

    Lösung

    1928 postulierte Paul Dirac die Existenz des Positrons bei seiner Arbeit an der Quantenelektrodynamik.

    Dabei stellte der sich das Positron als ein positiv geladenes Elektron vor.

    Diese These wurde 1932 durch Carl Anderson belegt, denn er wies das Positron in der Höhenstrahlung nach.

    Man traf die Verallgemeinerung : Zu jedem vorhandenen Teilchen existiert ein Antiteilchen.

    Nun musste noch festgestellt werden, wie sich das Antiteilchen im Gegensatz zum gewöhnlichen Teilchen verhalten sollte und wie es zu charakterisieren ist.

  • Bestimme, zu welchen Bereichen die Elementarteilchen gehören.

    Tipps

    Im Standardmodell wird nach Masse und Generation der Teilchen sortiert.

    Leptonen sind leichter als Quarks.

    Lösung

    Mittlerweile ist eine Vielzahl von Elementarteilchen bekannt. Um eine Ordnung und Systematisierung zu erreichen, wurde das Standardmodell festgelegt.

    Darin werden Teilchen nach ihrer Masse sortiert und in drei Generationen angegeben.

    Die schwereren Quarks bilden eine Obergruppe. Eine zweite bilden die leichteren Leptonen.

    Zu den Quarks zählen etwa das up-Quark, das down-Quark, das strange-Quark oder das charme-Quark. Eine genauere Unterscheidung weiterer Eigenschaften dieser Quarks erlaubt eine Einteilung in die drei Teilchengenerationen.

    Zu den Leptonen zählen die leichteren Teilchen, die häufig als Austauschteilchen fungieren.

    Wir zählen etwa die Elektronen, Myonen oder Neutrinos zu den Leptonen.

    In Analogie zu den Quarks werden auch die Leptonen weiter in drei Teilchengenerationen unterteilt.

    Der Ausbau des Standardmodell und das damit verbundene Entdecken weiterer Elementarteilchen ist ein derzeit sehr spannender Teilbereich der Physik, in dem viele Fortschritte gemacht werden können und zahlreiche Nobelpreise vergeben werden.