Main aims of CERN

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Konzept der Wechselwirkungen

• Wechselwirkung
• Kraftwirkung zwischen Teilchen
• Verantwortlich für Teilchen-Zerfälle und
  Produktion
• 4 fundamentale Wechselwirkungen
• Gravitation (Schwerkraft)
• Elektromagnetismus
• Schwache Wechselwirkung
• Starke Wechselwirkung

S
N
2
Gravitation (Schwerkraft)
3
Die Coulombkraft
4
Schwache Wechselwirkung Der pp-Zyklus der
Sonne
5
Der ß-Zerfall im Bild des Standardmodells
6
Starke Wechselwikung Quarks Bausteine der
Atomkerne
7
Das Quark-Gluon-Plasma
8
Quarks, Bausteine der Hadronen
Name Ladung Masse in GeV/c2
up 2/3 0.005
down -1/3 0.01
charm 2/3 1.5
strange -1/3 0.15
top 2/3 175
bottom -1/3 4.5
Proton 0.938 GeV/c2
Meson 2 Quarks
1 eV1.9 10-19 Joule 1 eV/c2 1.78 10-36 kg 1
GeV/c2109 eV/c2
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Die Leptonen
Name Ladung Masse in GeV/c2
Elektron -1 0.0005
Elektron Neutrino 0 ?
Myon -1 0.1
Myon Neutrino 0 ?
Tau -1 1.8
Tau Neutrino 0 ?
1 eV1.6 10-19 Joule 1 eV/c2 1.78 10-36 kg 1
GeV/c2109 eV/c2
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Prinzip von Kraftwirkungen

• Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung
• Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren
  Wechselwirkung
• Wechselwirkung erfolgt über Austausch von
  Botenteilchen

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Die 4 fundamentalen Wechselwirkungen
Name der Kraft Reichweite Stärke Austauschteilchen
stark 10-15 m 1 8 Gluonen
elektro-magnetisch unendlich 10-3 Photon
schwach 10-17 m 10-5 W W- Z
Gravitation unendlich 10-38 Graviton
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Was ist eigentlich eine Ladung?

• Eine Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens
• Ladungen sind AdditivLadung(AB) Ladung(A)
  Ladung(B)
• Ladungen kommen nur in Vielfachen einer
  kleinsten Ladungsmenge vor
• Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder
  neu, noch geht sie verloren

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Die elektromagnetische Kraft

• Ladung elektrische Ladung Q
• Arten 1 Ladungsart Zahl, positiv oder negativ
• Botenteilchen Photon
• Eigenschaften elektrisch neutral Q0
  masselos m0
• Teilchen Up Down Neutrino
  Elektron Ladung 2/3 -1/3
  O -1
• Besonderheiten
• Unendliche Reichweite
• Makroskopisch beobachtbar (Versuch)
• Magnetfelder lenken elektrisch geladene Teilchen
  ab,umso weniger je höher deren Energie ist
  (Versuch)

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Die starke Kraft

• Ladung starke Ladung
• Arten 3 Ladungsarten Farbe,
  plus jeweilige Antifarbe
• Botenteilchen 8 Gluonen
• Eigenschaften tragen selber je 1 Farbe und
  Antifarbe masselos m0
• Teilchen Up Down Neutrino
  Elektron Ladung r, b, g r, b, g
  - -
• Besonderheiten
• Endliche Reichweite ca 1 fm
• Hält p, n und Atomkern zusammen
• Makroskopisch nicht beobachtbar, außer
  radioaktiver Zerfall ? Heliumkerne (Versuch)

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Die schwache Kraft

• Ladung schwache Ladung (I1, I2, I3)
• Arten 1 Ladungsart Zahlentriplett
• Botenteilchen W-, Z0, W
• Eigenschaften tragen selber schwache Ladung I3
  -1, 0, 1 Masse m
  80 90 GeV
• Teilchen Up Down Neutrino
  Elektron I3 1/2 -1/2
  1/2 -1/2
• Besonderheiten
• Endliche Reichweite ca 0.0025 fm
• Makroskopisch nicht beobachtbar, außer
• Brennen der Sonne
• Radioaktiver Zerfall des Neutrons
• Analog Zerfall des Myons µ ? enn

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Das Neutrino Geisterteilchen

• Postuliert 1931, elektr. neutraler Partner des
  Elektrons
• Extrem kleine Masse (lt 1 / 1.000.000.000
  Elektronmasse)
• Sehr schwache Wechselwirkung(kann ohne
  Wechselwirkung die Erde durchfliegen)
• Nachweis 1956 von 1012 Reaktorneutrinos pro
  Sekunde und mm2nachgewiesen in 10 Kubikmeter
  Wasser 3 pro Stunde
• 400 Neutrinos / Kubikzentimeter überall im
  Universum

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Antimaterie

• Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein
  Antiteilchenmit umgekehrten Ladungsvorzeichen
• Sonst sind alle Eigenschaften (Masse,
  Lebensdauer) gleich
• Aus Botenteilchen können paarweiseMaterie- und
  Antimaterieteilchen entstehen
• Umgekehrt können Sich diese wieder zu
  Botenteilchen (Energie) vernichten

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Antimaterie Ein "Spiegelbild" der Materie
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Teilchen-Antiteilchen Vernichtung bei CERN
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Zusammenfassung Kräfte

• Die unterschiedlichen Ladungenbewirken
  unterschiedliche Kräfte zwischen Teilchen
• Sie erklären auch das unterschiedliche
  Verhaltenin den Detektoren
• Sowie die Bildung vonTeilchenjets aus Quarks

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Das vollständige Set der Bausteinteilchen

• Das 4er Set der 1.Baustein-Generation
  wiederholt sich genau 2 Mal
• Niemand weiss warum

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Zusammenhang Teilchenphysik - Kosmologie
Teilchenkollision bei hohen Energien
heißes Universum
gezielte, kontrollierte einzelne Kollisionen und
deren Aufzeichnung
alle Teilchen haben hohe Energie (Temperatur) und
kollidieren unkontrolliert
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Rückblick zum Urknall
im Bereich von Theorien
durch Experimente gesichert
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Schlussübersicht