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Teilchenzoo – Vielfalt und Ordnung 10:50 min

Textversion des Videos

Transkript Teilchenzoo – Vielfalt und Ordnung

Hallo, hier ist wieder Doktor Psi. Heute beschäftigen wir uns mit einem Zoo. Jedoch keinem, der Tiere enthält, sondern Teilchen. Und wieso wir hier von einem Zoo reden, wollen wir in diesem Zusammenhang und in diesem Video erklären. Dabei bewegen wir uns Größenbereichen, deren Ausdehnung bei etwa 10-15 Meter und kleiner liegt. Wir müssen also sehr genau hinsehen und mal schauen, was wir alles entdecken werden. Dass Atome aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen, ist bekannt. Sind jedoch diese Teilchen kleine, strukturlose Kugeln oder haben sie auch eine innere Struktur? Eine Antwort auf diese Frage wurde mit Hilfe von Streuexperimenten analog denen von Rutherford gefunden. Wir sehen hier ein solches Experiment: Werden Protonen mit sehr schnellen Elektronen durchdrungen, so zeigte sich, dass die Ladung innerhalb der Protonen nicht gleichmäßig verteilt ist, und zwar positive Ladungen gleichmäßig verteilt, sie enthalten auch negative Ladungen. Und diese verschiedenen Ladungsarten wurden auch bei Neutronen, die ja normalerweise neutral sind, entdeckt. Diese Teilchen oder diese Anordnung von Ladungen innerhalb der Protonen und Neutronen erhielt den Namen „Quarks“, ein Kunstwort aus Finnegan’s Wake von James Joyce. Wir sehen hier in den Protonen und Neutronen sind jeweils drei Quarks nachgewiesen, zwei sogenannte u-Quarks mit positiver Ladung, nämlich zwei Drittel der Elementarladung und ein drittes, ein mit negativer Ladung versehenes Elementarteilchen, also minus ein Drittel e, das mit d bezeichnet wird, also ein d-Quark. Und diese Abbildung verdeutlicht die experimentellen Ergebnisse. Und weitere Streu- beziehungsweise Kollisionsexperimente in Hochenergie-Teilchenbeschleunigern und neuesten Teilchen-Nachweismethoden führte zur Identifikation vier weiterer Quarks. Wir haben das Strange-Quark mit der Ladung minus ein Drittel e, das Charme-Quark mit der Ladung plus zwei Drittel e, ein Bottom-Quark und ein Top-Quark, wir sehen die entsprechenden Ladungen hier. Und zu jedem dieser insgesamt sechs Quarks gibt es Anti-Quarks, die sich jeweils im Vorzeichen der Ladung vom entsprechenden Quark unterscheiden. Einzelne freie Quarks sind bisher noch nicht festgestellt worden. Und Quarks treten immer in Kombination von zwei oder drei Quarks auf und sie bilden daher die Struktur vieler möglicher Teilchen des sogenannten Teilchenzoos, wir sprechen hier von einem Teilchenzoo, weil inzwischen mehr als 200 Elementarteilchen entdeckt wurden. Und um Ordnung in diesen Teilchenzoo hineinzubringen, hat man die Elementarteilchen in zwei Gruppen eingeteilt. Wir sehen hier drei Teilchengenerationen und wenn wir genau hinsehen, sehen wir insgesamt zwölf Elementarteilchen mit ihren Eigenschaften, sie sind unterteilt in zwei Gruppen. Einmal die Quarks und dann die Leptonen und wir sehen innerhalb dieser kleinen Kästchen die entsprechende Bezeichnung der einzelnen Elementarteilchen. Nun, wir wollen gleich sehen, wie es in der nächsten Szene weitergeht. Ja, neben den Hadronen, die aus Quarks bestehen, gibt es auch Teilchen ohne innere Struktur, das sind die Leptonen. Sie sind vergleichsweise leichtere Teilchen, wir sehen hier die Anordnung in unserem Standardmodell. Durch diese Teilchen, also Quarks und Leptonen, wird ein Modell beschrieben, das man eben als Standardmodell bezeichnet und das den Aufbau der Materie zum Inhalt hat. Und zu diesem Standardmodell, wir haben ja hier nur die Teilchennamen und ihre Bezeichnung angegeben, gehören noch ihre Massen und auch die Energien, beziehungsweise Masse und Energie sind natürlich äquivalent und die Wechselwirkung der Teilchen untereinander. Aber wenn wir das hier erzählen würden, würde es viel zu lange dauern. Noch einmal zurück zu den Hadronen. Die Hadronen wandeln sich bei hochenergetischen Stoßprozessen wieder in andere Teilchen um. Wir haben hier eine Abbildung, die ein sogenanntes Baryonen-Oktett zeigt. Diese Abbildung zeigt wie sich Protonen, also unter anderem wie sich Protonen und Neutronen in andere Teilchen umwandeln. Es gibt also eine ganz große Anordnung dieser Umwandlungsprozesse, aber das hier im Einzelnen zu beschreiben, da reicht eigentlich die Zeit nicht aus. Aber wir wollen noch ein wenig über andere Eigenschaften dieser Teilchenumwandlungsprozesse uns anschauen. Die oben angesprochenen Wechselwirkungsprozesse mit der Entstehung neuer Teilchen, die laufen nicht willkürlich ab, für sie gelten fundamentale Erhaltungssätze. So zum Beispiel solche für Gesamtenergie, Gesamtimpuls, elektrische Ladung, aber auch für Baryonenanzahl und Leptonenanzahl. Eine weitere Eigenschaft, die in diesem Zusammenhang diskutiert werden müsste, ist die Einhaltung beziehungsweise Verletzung von Symmetrien. Das wären also Prozesse, deren Ablauf unabhängig, beziehungsweise abhängig von zum Beispiel einer Spiegelung oder bestimmten Drehungen verlaufen, aber wie immer, die Zeit reicht dafür nicht aus. Daher zum Abschluss noch eine Anmerkung zum Higgs-Teilchen beziehungsweise zum Higgs-Feld, das in der letzten Zeit gelegentlich diskutiert wurde. Noch einmal zurück zu unserem erwähnten Standardmodell. In seiner ursprünglichen Form sind dort die angegebenen Teilchen ohne Masse notiert. Anders formuliert, woher haben eigentlich diese Elementarteilchen ihre Masse? Dieses Problem löste der schottische Physiker Peter Higgs im Jahre 1964. Er nahm an, dass das Vakuum nicht leer ist, sondern mit einem Feld durchsetzt ist. Und dieses Feld kann man sich als eine Art zähe Flüssigkeit vorstellen. Durchsetzt nun ein masseloses Teilchen diese zähe Flüssigkeit, so wird es abgebremst. Es wird so abgebremst, als würde es zum Beispiel durch Honig laufen. Damit wird dieses Teilchen träge und Trägheit und Masse sind ja miteinander verknüpft. Wir kennen das aus der Kinematik. Damit enthält eben ein Teilchen, das träger wird, auf diese Weise eben seine Masse. Und es geht noch weiter: So wie das elektrische Feld einem Teilchen der Elementarladung zugeschrieben wird, gibt es auch für das gerade eben erwähnte Higgs-Feld ein Teilchen, das Higgs-Teilchen, präziser auch Higgs-Boson genannt. Dieses Teilchen gilt inzwischen als nachgewiesen, der Nobelpreis wurde Higgs verliehen, seine Ladung ist neutral und seine Masse wird mit circa 2,3*10-25 Kilogramm angegeben. Damit ist es also ein nachgewiesenes Teilchen, dem sogar eine Energie und eine Masse zugeordnet werden kann. Damit ist also insgesamt ein Überblick über die Elementarteilchenphysik gegeben. Merken lässt sich diese Vielfalt kaum. Wichtig ist aber, dass diese Physik einen Schlüssel für die Entwicklung unseres Universums geben kann. Genauer für die Zeit nach dem Urknall. Natürlich bleiben bei dieser ganzen Geschichte einige Fragen offen. Und einige Fragen, die offen sind, lauten etwa: Welche Masse haben Neutrinos? Warum gibt es die oben angegebenen drei Generationen von Elementarteilchen? Und wie erklärt man die sogenannte dunkle Materie und dunkle Energie? Darüber haben wir noch gar nicht gesprochen. Und warum besteht eigentlich unser Weltall zu einer weit überwiegenden Mehrheit aus Materie und nicht aus Antimaterie. Sie gibt es beide, aber warum überwiegt das eine? Ja, das war's für heute. Das war ein kleiner Einblick in die Physik der Elementarteilchen. Ich hoffe, du hattest ein wenig Freude und Spaß daran. Und vielleicht sehen wir uns bald wieder bei einem Video von Doktor Psi, tschüss.

Teilchenzoo – Vielfalt und Ordnung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Teilchenzoo – Vielfalt und Ordnung kannst du es wiederholen und üben.

  • Bezeichne den inneren Aufbau des Protons.

    Tipps

    Ein Proton trägt die Ladung $1e$.

    Verschiedene Quarks können unterschiedliche Ladungen tragen.

    Lösung

    Ein Proton ist aus drei Quarks aufgebaut.

    Einem down-Quark und zwei up-Quarks.

    Wir wissen ja bereits, dass ein Proton immer mit dem Betrag der Elementarladung positiv geladen ist.

    Denn die Ladung eines Protons gleicht ja immer die eines Elektrones genau aus.

    Da auch Quarks eine Ladung tragen, müssen sich diese zu einer Gesamtladung von $ 1e$ addieren.

    Mathematisch formuliert $ q_{prot} = 2 \cdot q_{up} + q_{down} = 1 $.

    Damit muss die Ladung eines up-Quarks $q_{up} = \frac{2}{3} $ und die des down-Quarks $q_{down} = - \frac{1}{3} $ betragen.

    Setzen wir zur Kontrolle ein.

    $ q_{prot} = 2 \cdot \frac{2}{3} - \frac{1}{3} = 1 $.

  • Zeige, wie die Existenz subatomarer Partikel nachgewiesen wurde.

    Tipps

    Es entsteht ein Streuungsbild ganz ähnlich dem Rutherford'schen Streuversuch.

    Die Bahn des Elektrons wird unterschiedlich beeinflusst, je nachdem, in welchem Winkel und auf welcher Höhe dieses auf das Proton trifft.

    Lösung

    Wir können beobachten, dass die Bahn des Elektrons unterschiedlich beeinflusst wird, je nachdem, in welchem Winkel und auf welcher Höhe dieses auf das Proton trifft.

    Das bedeutet, es muss eine inhomogene Verteilung der Ladung innerhalb des Protons geben.

    Tatsächlich ist das Proton aus einem negativ geladenen down-Quark und zwei positiv geladenen up-Quarks aufgebaut.

    Bewegt sich ein Elektron nun im Bereich der negativen Ladung, wird dieses reflektiert. Im Bereich positiver Ladung wird es abgelenkt.

    Es entsteht ein Streuungsbild ganz ähnlich dem Rutherford'schen Streuversuch.

    Diese Beobachtungen führten zu weiteren Nachforschungen im Bereich der subatomaren Partikeln.

  • Gib an, welche Quarks nachgewiesen sind.

    Tipps

    Die Bausteine des Atomkern bestehen aus noch kleineren Partikeln.

    Ein Proton besteht aus zwei unterschiedlichen Quarks.

    Lösung

    Die Bausteine des Atomkern bestehen aus noch kleineren Partikeln.

    Dabei unterteilt man diese in die kleineren Leptonen und die größeren Hadronen oder Quarks.

    Diese Tatsache konnte mit einem Streuversuch nachgewiesen werden, der dem Rutherford'schen Streuversuch zum Nachweis der Atomstruktur nachempfunden ist.

    Da mittlerweile mehr als 200 subatomare Teilchen bekannt sind, spricht man von einem Teilchenzoo, denn es gibt zahlreiche unterschiedliche Teilchen, so wie es unterschiedliche Tiere in einem Zoo gibt.

    Bekannte Quarks sind etwa das Top-Quark und das Down-Quark, aus welchen Protonen und Neutronen aufgebaut sind. Weitere Teilchen, deren Existenz man nachweisen konnte, sind etwa das strange-Quark oder das charme-Quark.

    Mit Hilfe der Quarks erhofft man sich, die Prozesse unmittelbar nach dem Urknall besser erklären zu können und somit auch ein besseres Verständnis für die Entstehung von Materie, Zeit und Raum zu erhalten.

  • Bestimme welche Quarks positiv und welche negativ geladen sind.

    Tipps

    Zu den einzelnen Quarks existieren ihre jeweiligen Anti-Quarks, welche die gleiche Masse, aber umgekehrte Ladung haben.

    Da ein Proton nach außen die Ladung $1e$ hat, müssen auch seine Quarks eine positive Ladung tragen.

    Lösung

    Wir wissen bereits, dass etwa Protonen und Neutronen aus drei unterschiedlichen Quarks bestehen.

    Über Protonen und Neutronen an sich wissen wir, dass diese eine annähernd gleiche Masse haben, wobei das Proton einfach positiv geladen ist und das Neutron neutral.

    Quarks haben eine Masse, sodass logischerweise bei gleicher Anzahl die Masse von Proton und Neutron nahezu identisch sein müssen.

    Geringe Unterschiede treten auf, da im Proton und Neutron nur zwei von drei Quarks identisch sind.

    Betrachten wir nun die Ladung.

    Da ein Proton nach außen die Ladung $1e$ hat, müssen auch seine Quarks eine positive Ladung tragen. Sonst gäbe es ja keine Erklärung für den Ursprung der elektrischen Ladung.

    Dabei ergibt die Zusammensetzung aus einem down-Quark mit zwei up-Quarks im Proton eine Gesamtladung von $1e$. Im Neutron ergibt sich die Gesamtladung zu $0$, wobei dieses aus einem up-Quark und zwei down-Quarks besteht.

    Daraus ergibt sich, dass ein up-Quark positiv geladen sein muss und das down-Quark negativ.

    Weitere positiv geladenen Quarks sind etwa das charme-Quark oder das top-Quark.

    Auch weitere negative Quarks sind bekannt. Beispiel dafür sind etwa das bottom-Quark oder das strange-Quark.

    Zu den einzelnen Quarks existieren zudem ihre jeweiligen Anti-Quarks, welche die gleiche Masse aber umgekehrte Ladung haben.

  • Gib an, was das Higgs-Feld ist.

    Tipps

    Peter Higgs wurde für seine Arbeit an den subatomaren Teilchen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

    Peter Higgs, der Erfinder des Higgs-Feldes, betrachtete dabei in der Regel das Higgs-Boson.

    Lösung

    Das Higgs-Feld kannst du dir als eine zähe Flüssigkeit vorstellen, die das Vakuum ausfüllt.

    Bewegt sich ein subatomares Teilchen nun durch das Vakuum, so treten Trägheitskräfte auf.

    Trägheitskräfte würden auch auftreten, wenn du durch Honig schwimmen würdest: Es wäre viel schwieriger vorwärts zu kommen als im Wasser.

    Trägheitskräfte sind immer mit einer Masse verknüpft.

    Auch die kleinsten Teilchen müssen also eine Masse haben.

    Peter Higgs, der Erfinder des Higgs-Feldes, betrachtete dabei in der Regel das Higgs-Boson.

    Für dieses konnte er anhand der Trägheitskräfte die Masse mit $ 2,3 \cdot 10 ^{-25} kg$ ermitteln.

    Die elektrische Ladung des Higgs-Bosons ist dabei neutral.

    Mit der Erkenntnis, dass subatomare Teilchen ihre Masse aus der Trägheit erhalten müssen, fand nun ein großer Fortschritt in der Teilchenphysik statt.

    Peter Higgs wurde für seine Arbeit an den subatomaren Teilchen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

  • Analysiere die Bedeutung der Arbeit von Peter Higgs.

    Tipps

    Der britische Physiker Peter Higgs konnte die Masse des Higgs-Bosons bestimmen.

    Fundamentale Erhaltungssätze gelten auch für die Physik der Elementarteilchen.

    Lösung

    Der britische Physiker Peter Higgs entdeckte den Mechanismus, mit dem Elementarteilchen ihre Masse erhalten.

    Dafür wurde ihm 2013 der Nobelpreis für Physik zuerkannt.

    Zunächst traf er die Annahme, dass das Vakuum nicht leer, sondern von einem Feld durchsetzt sei, dem Higgs-Feld.

    Dieses Feld bewirkt Trägheitseffekte auf die masselosen Elementarteilchen.

    Aufgrund der Äquivalenz von Trägheit und Masse konnte so den Teilchen eine Masse zugeordnet werden.

    Man könnte sagen, die Teilchen verhalten sich so, als hätten sie eine Masse, obwohl die eigentlich masselos sind.

    Für die Kombination aus Higgs-Feld und Higgs-Boson ermittelte Higgs die Masse $m_{HB} = 2,3 \cdot 10^{-25} $ kg und eine neutrale Ladung.

    So wurde der Nachweis erbracht, dass tatsächlich fundamentale Erhaltungssätze auch für die Elementarteilchen gültig sind.

    Beispielsweise zu nennen sind dazu:
    Erhalt der Gesamtenergie, Erhalt des Gesamtimpuls oder Erhalt der Ladung.

    Die Wechselwirkung zwischen den Elementarteilchen laufen also, ebenso wie es bei Atomen oder Molekülen der Fall ist, nicht willkürlich ab, sondern nach einem fundamentalen Schema.