Thema 10 — Elementarteilchenphysik

Standardmodell · Quarks & Leptonen · Antimaterie · vier Grundkräfte · Forschung am CERN

✎ Hinweis zum Themenpool: Im Inhaltsverzeichnis des Themenpools ist Thema 10 (Elementarteilchenphysik) zwar gelistet, im Fließtext gibt es aber keinen eigenen Abschnitt „§10" (es springt von §9 direkt zu §11) — alle Prüfpunkte dieses Themas hängen unter §12 Kernphysik in den Unterabschnitten „Standardmodell der Elementarteilchen" und „Forschung am CERN / LHC": 6 Quarks + 6 Leptonen, Ladungsarithmetik Proton uud / Neutron udd, Bosonen-/Wechselwirkungstabelle, Higgs 2012, Annihilation $e^{-}+e^{+}\to 2\gamma$, Asymmetrie $({10}^9+1):{10}^9$, CERN/LHC (Synchrotron, vier Detektoren) mit den sechs Forschungszielen. Dieses Skript deckt alles davon ab.

Kapitel

• 10.1 Was ist Elementarteilchenphysik?
• 10.2 Das Standardmodell
• 10.3 Antimaterie
• 10.4 Die vier Grundwechselwirkungen
• 10.5 Experimentelle Teilchenforschung am CERN
• 10.6 Vereinheitlichung der Kräfte: GUT und Weltformel
• 10.7 Größenordnungen-Leiter (Überblick)

Selfcheck

1. Was untersucht die Elementarteilchenphysik, und warum gilt das Standardmodell als „richtig, aber unvollständig"?
2. Nenne die zwei Familien der Fermionen. Welche Quarks/Leptonen sind die wichtigsten?
3. Zeige über die Quark-Ladungen, dass das Proton +1 und das Neutron 0 trägt.
4. Was ist Antimaterie, und was passiert bei der Annihilation? Wie effizient ist sie verglichen mit Spaltung/Fusion?
5. Nenne die vier Grundkräfte mit Stärke, Reichweite und Austauschteilchen.
6. Warum gäbe es ohne die starke Kraft keinen Atomkern? Was ist das Besondere an der schwachen Kraft?
7. Was ist das Higgs-Feld, und warum war 2012 so bedeutend?
8. Wie begründet man die Existenz von dunkler Materie (Rotationskurven)?
9. Warum sind Mini-schwarze-Löcher am LHC harmlos?
10. Was besagt die Materie-Antimaterie-Asymmetrie?
11. Was ist ein Hadron? Worin unterscheiden sich Baryonen und Mesonen? Warum heißt der LHC „Large Hadron Collider"?
12. Warum kann man nie ein einzelnes Quark beobachten (Confinement)?
13. Wer postulierte das Neutrino, und warum? Warum ist es so schwer nachzuweisen?
14. Warum erreichen Myonen aus der kosmischen Strahlung (Lebensdauer 2,2 μs) den Erdboden?
15. Was bedeutet Vereinheitlichung? Welche Kräfte sind bereits vereint (Maxwell; elektroschwach), und was sollen GUT und TOE/Weltformel leisten? Warum ist die TOE bisher nicht gelungen?
16. Was besagt eine Quantenfeldtheorie (Teilchen als Feldanregung)? Was ist die QED, und wer ist mit ihr verbunden?
17. Welche Kraft hält die Protonen im LHC auf der Kreisbahn (Name + Formelidee), wie stark sind die Magnete, und wozu dienen die Kavitäten?
18. Welcher Fachbegriff steht hinter der Materie-Antimaterie-Asymmetrie (Symmetriebruch / CP-Verletzung)? Unterscheide virtuelle und reelle Austauschteilchen.

§§ANTWORTEN

1. Sie untersucht die fundamentalen Bausteine der Materie (unter Atomen/Nukleonen) und deren Wechselwirkungen. Das Standardmodell ist „richtig, aber unvollständig": keine Gravitation, keine Erklärung für dunkle Materie/Energie. (§10.2)
2. Quarks (6) und Leptonen (6), beide Fermionen. Am wichtigsten sind Up & Down (bilden Protonen/Neutronen) sowie das Elektron $e^{-}$ mit seinem ${\nu }_e$. (§10.2)
3. Proton (uud): $+\frac{2}{3}+\frac{2}{3}-\frac{1}{3}=+1$. Neutron (udd): $+\frac{2}{3}-\frac{1}{3}-\frac{1}{3}=0$. (§10.2)
4. Antiteilchen unterscheiden sich von Teilchen nur durch die entgegengesetzte Ladung. Bei der Annihilation vernichten sich Materie + Antimaterie zu Strahlung ($e^{-}+e^{+}\to 2\gamma$, 180°). Effizienz 100 % der Masse — vs. ~0,1 % (Spaltung) und ~0,7 % (Fusion). (§10.3)
5. Stark (Stärke 1, $\sim {10}^{-15}$ m, Gluonen), elektromagnetisch ($\sim {10}^{-2}$, $\mathrm{\infty }$, virtuelle Photonen), schwach ($\sim {10}^{-5}$, sehr klein, $W^{+}/W^{-}/Z$), Gravitation ($\sim {10}^{-39}$, $\mathrm{\infty }$, Graviton). (§10.4)
6. Ohne die starke Kraft würden sich die Protonen elektromagnetisch abstoßen → kein Atomkern. Das Besondere der schwachen Kraft: sie zieht weder an noch ab und kann die Flavour umwandeln (z. B. Down → Up beim β-Zerfall). (§10.4)
7. Das Higgs-Feld durchzieht den Raum und erklärt, was Masse ist (starke Wechselwirkung → hohe Masse; masselos wie das Photon → keine). 2012 wurde das Higgs-Teilchen am CERN nachgewiesen. (§10.5)
8. Sterne am Galaxienrand rotieren schneller, als die sichtbare Masse erlaubt (die Rotationskurve fällt nach außen nicht ab); manche Haufen bräuchten bis zur 400-fachen Masse → dunkle Materie. (§10.5)
9. Sie sind kleiner als Protonen und haben eine Lebensdauer von nur ~${10}^{-26}$ s → sie verdampfen sofort durch Hawking-Strahlung, also völlig harmlos. (§10.5)
10. Im Urknall entstand ein winziger Materie-Überschuss (Verhältnis $({10}^9+1):{10}^9$); sonst bliebe nur Strahlung. Dieser Überschuss bildet alle sichtbare Materie — die Ursache ist eine offene Frage. (§10.5)
11. Hadronen = aus Quarks zusammengesetzte Teilchen, die der starken Kraft unterliegen: Baryonen (3 Quarks, z. B. Proton/Neutron) und Mesonen (Quark + Antiquark, z. B. Pionen). Der LHC kollidiert Protonen/Blei-Kerne — beides Hadronen, daher der Name; Leptonen sind keine Hadronen (keine Farbladung). (§10.2)
12. Wegen des Confinements: Die Farbkraft wird mit dem Abstand nicht schwächer (Gummiband-Bild) — die Energie zum Auseinanderziehen reicht aus, um per $E=m{c}^2$ ein neues Quark-Antiquark-Paar zu erzeugen; man erhält immer Hadronen statt freier Quarks → Drittel-Ladungen wurden nie einzeln gemessen. Einzige Ausnahme: das Quark-Gluonen-Plasma. (§10.4)
13. Pauli (1930) postulierte das Neutrino, um die Energieerhaltung beim β-Zerfall zu retten (kontinuierliches β-Spektrum); erst 1956 wurde es nachgewiesen. Schwer nachweisbar, weil es weder elektrische noch Farbladung trägt und nur der schwachen Kraft unterliegt — Milliarden Sonnenneutrinos durchqueren uns pro Sekunde; die Oszillation beweist seine Masse (Nobelpreis 2015) — eine weitere Unvollständigkeit des Standardmodells. (§10.2)
14. Klassisch kämen Myonen höchstens $c\cdot 2,2\mu \text{s}\approx 660$ m weit — viel zu wenig für ~20 km. Die Zeitdilatation (SRT) lässt sie im Erdsystem „länger leben" (äquivalent: im Myon-System ist die Strecke kontrahiert), daher erreichen sie den Boden. (§10.2, ausführlich Thema 6 §6.2)
15. Vereinheitlichung = die vier Grundkräfte als Erscheinungsformen einer Wechselwirkung. Bereits vereint: Elektromagnetismus (Maxwell: Elektrizität + Magnetismus) und die elektroschwache Kraft (Elektromagnetismus + schwache Kraft; Glashow/Salam/Weinberg, Nobelpreis 1979). GUT soll zusätzlich die starke Kraft einbinden (unbestätigt), die TOE/Weltformel auch die Gravitation — bisher nicht gelungen, weil sich die Gravitation nicht quantisieren lässt. (§10.6)
16. In einer Quantenfeldtheorie sind Felder das Fundamentale; ein Teilchen ist nur eine Anregung (Quant) seines Feldes. Die QED (Quantenelektrodynamik) ist die QFT der elektromagnetischen Wechselwirkung (Elektron ↔ Photon), maßgeblich von Feynman entwickelt (Feynman-Diagramme). (§10.6)
17. Die Lorentzkraft $\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{v}\times \overrightarrow{B}$ zwingt die Protonen auf die Kreisbahn; die supraleitenden LHC-Magnete erzeugen dafür ~8 Tesla. Beschleunigt werden die Protonen in Kavitäten (Hohlraumresonatoren) durch hochfrequente elektrische Wechselfelder. (§10.5)
18. Hinter der Asymmetrie steht ein Symmetriebruch, konkret die CP-Verletzung (C = Teilchen↔Antiteilchen, P = Raumspiegelung; die Natur ist darunter nicht exakt symmetrisch) — untersucht von LHCb. Virtuelle Austauschteilchen vermitteln Kräfte und sind nicht direkt beobachtbar; reelle Austauschteilchen (z. B. das reelle Photon aus $e^{-}+e^{+}\to 2\gamma$) sind freie, nachweisbare Teilchen. (§10.3/§10.5)