Standardmodell der Elementarteilchen

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Aus heutiger Sicht besteht Materie aus drei Sorten von Teilchen, den Leptonen, den Quarks, und den Austauschteilchen (Eichbosonen).
File:Standardmodell.png
Die sechs Quarktypen (flavours) kommen, wie die Leptonen in drei Generationen (auch Familien) vor (I, II, III). Zu jeder Wechselwirkung gibt es Austauchteilchen:

  • elektromagnetische Wechselwirkung $\rightarrow$ Photon
  • schwache Wechselwirkung $\rightarrow$ Bosonen (W$^{\pm}$,Z$^0$)
  • starke Wechselwirkung $\rightarrow$ Glonen (nur $8$ Gluonen, weil es kein grün-antigrün Gluon gibt)
  • die Gravitation ist im Standardmodell nicht enthalten!

Die Wechselwirkung von Quarks und Gluonen wird durch die Quantenchromodynamic (grich. khrôma=Farbe) beschrieben. Die Farbladungen haben in der Chromodynamic eine ähnliche Bedeutung wie die elektrische Ladung in der Elektrodynamic. Beide Theorien sind Feldtheorien die geeicht werden (deshalb auch Eichtheorie).


Starke und Schwache Wechselwirkung

Kernkräfte entstehen ähnlich wie die Van-der-Waals-Kräfte. Sie sind Reste von nicht völlig kompensierten Farbkräften die zwischen den Quarks wirken.

Bei starken Wechselwirkungen bleiben die Quarks erhalten, während sich der Quarktyp (flavour) bei der schwachen Wechselwirkung ändert. 


Beispiel schwache WW: Der $\beta$-Zerfall kann daher durch die schwache WW erklärt werden bei der ein d-Quark in ein u-Quark umgewandelt wird.
$(udd) \rightarrow (uud) + e^- + \bar{\nu}_e$
Beispiel starke WW: $\Delta^+ (uud) \rightarrow p(uud) + \pi^0(u\bar{u} + d\bar{d})$. Das angeregte Proton $\Delta^+$ zerfällt bei dieser Reaktion in ein proton $p$ und ein $\pi^0$-Meson, der Quarktyp ändert sich dabei nicht.

Je größer die WW-Kräfte desto schneller läuft ein Zerfall ab. Zerfall bei schwacher Wechselwirkung $\approx 10^{-11}s$; bei starker Wechselwirkung $10^{-24}s$.

Gluonen Austauschteilchen der starken WW

Die elektromagnetische Wechselwirkung kann durch Austausch von Photonen ($\gamma$) erklärt werden.
Feynman-Diagramm eines Beitrags zur Elektron-Elektron-Streuung durch Austausch eines virtuellen Photons (Zeitachse von unten nach oben).
Analog kann die Farbwechselwirkung auf den Austausch von Vektorbosonen den Gluonen mit Spin $1$ zurückgeführt werden. Im Gegensatz zu Photonen, die keine Ladung tragen, tragen Gluonen aber Farbladungen, sodass die Farbladungen miteinander Wechselwirken. Die Farbwechselwirkung findet statt indem ein Quark ein Gluon emittiert, welches von einem anderen Quark aufgenommen wird. Durch Abgabe des Gluons ändert sich die Farbe des Quarks, ebenso änder sich die Farbe des Quarks, welches das Gluon aufnimmt. Insgesamt bleibt die Farbladung für das Hadron konstant. Wechselwirkungen dieser Art können mit Feynman-Diagrammen dargestellt werden.


W- und Z-Bosonen Austauschteilchen der schwachen WW

Man unterscheidet zwischen zwei Prozessen der schwachen Wechselwirkung:

  • Reaktionen der geladenen Ströme: elektrische Ladung ändert sich (z.B. $n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_0) \hspace{2cm}$ Austauschteilchen: W-Boson ($80,4GeV/c^2$)
  • neutrale Ströme: Prozesse bei denen sich die Ladung nicht ändert (z.B. $\nu_{\mu} + p \rightarrow \nu_{\mu} + p) \hspace{2cm}$ Austauschteilchen: Z-Boson ($91,2GeV/c^2$)

Berücksichtigt man die Bosonen läuft beim $\beta$-Zerfall folgende Reaktion ab.
$d \rightarrow u + W^{*-}$
$W^{*-} \rightarrow e^- + \bar{\nu}_e$









Wobei das virtuelle $W^{*-}$-Boson in ein Elektron $e^-$ und ein Antineutrino $\bar{\nu}_e$ Zerfällt.

Reelle Bosonen wurden 1982 am CERN durch Carlo Rubbia und Mitarbeiter beim Zusammenstoß
$p + \bar{p} \rightarrow W + X$
zwischen Protonen und Antiprotonen entdeckt.

Das Higgs-Boson welches den Teilchen über den Higgsmechanismus Masse verleiht wurde kürzlich bei Experimenten am CERN gesucht. Messungen vom Juli 2012 ergaben die detektion von Teilchen mit einer Masse von etwa $125GeV/c^2$, was der erwarteten Masse für das Higgs-Boson entspricht. Allerdings weicht die berechnete Zeit, welche das Higgs-Boson für den Zerfall in zwei Photonen benötigt um den Faktor 1,5 vom experimentellen Wert ab, sodass das Boson also in Realität schneller Zerfällt als in der Berechnung.

Eine Interessante Vorlesung von Leonard Susskind an der Universität in Stanford, in der er den Higgsmechanismus erklärt, findet man hier