Das Standardmodell der Elementarteilchen

Das Standardmodell derElementarteilchenClaus GrupenUniversität Siegen„Ob mir durch Geistes Kraft und Mund nichtmanch Geheimnis würde kund ... Daß icherkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält,schau‘ alle Wirkenskraft und Samen, und tu‘ nichtmehr in Worten kramen.“Goethe, Faust I1

Das Komplexe, das Kleine und das Große(Quarks und Galaxien) Entdeckung von Elementarteilchen(ein wenig Historie) Klassifizierung der Elementarteilchen(Das Periodensystem der Elementarteilchen) Die Kräfte, die die Welt zusammenhalten Vereinigung der Kräfte Das fehlende Higgsteilchen Der Large Hadron Collider(SUSY und Higgs-Suche) Kosmologischer Ausblick2

Die drei großen Fragen10 14 Synapsen, 6 x 10 25 Atome10 11 Galaxien mit 10 22 SternenQuarks und Elektronen < 10 -18 Meter3

L3 pictures / Lucas Taylor4

L3 pictures / Lucas Taylor5

Entdeckung der Elementarteilchen1897 Elektron1932 Positron1937 Muon6

1962 Myon-Neutrino1956 Elektron-Antineutrino7

1979 Gluon1975 Tau8

Fundamentale Materieteilchen(Fermionen)ν eν µ ν τe - µ - τ -udcstb+ Antiteilchen9

Quarks sind farbigBetrachteR= Wirkungsquerschnitt e e − HadronenWirkungsquerschnitt e e − Muon−Paareσ e e − μ μ − ∝ α 2 ⋅1/Energie 2denn [σ] ist cm 2 ;(h = c = 1 angenommen)de Broglie-Beziehung λ = h / p ⇒ cm = 1 / Energieexaktσ e e − μ μ − = 4 3 π α2 ⋅ 1 ss - Quadrat der Schwerpunktsenergie11

aberα= e2ħ cfür Quarks ist die Ladung aber e (für u, c, t) 2 3bzw. (für d, s, b)− 1 3ealsoσ e e − q q = 4 3π α α q⋅ 1 sdamit wirdR=Σ α q=∑ e q 2 =Summe über die Quarkladungen zum Quadrat,z.B. falls nur die drei leichten Quarks angeregt werden können. 2 − 1 3 2 − 1 3 2 = 2 3aberR= 2 3R exp=2also kommt jedes Quark in drei Typen ( = Farben) vor.12

Kräfte, die die Welt zusammenhaltenElektrizitätMagnetismusElektromagnetismus γElektromagnetismusSchwacheWechselwirkungelektroschwache TheorieW + , W - , Z15

Im Standardmodell sind alle Teilchen masselosWer gibt den Teilchen Masse?spontaneSymmetriebrechnung17

Es gibt verschiedene Higgs-Szenarien:Im einfachsten Falle:ein neutrales, skalares Higgsteilchen18

Higgs-Feld-Analogon:Ein Elektron bewegt sich durch den Kristall.Es zieht die positiv geladenen Ionen an und erhält eine großeeffektive Masse.Das Higgsfeld ist ein hypothetisches Gitter, das das Universumerfüllt. Man braucht es z.B., um den W- und Z-Teilchen Masse zugeben.19

20David Miller

Higgs-Suche am LEPProduktionsmechanismus: HiggsstrahlungZerfälle des neutralen Higgs:e + e - → Z Hvier Jetse + e - → Z HGolden Eventsq qb bμ μ − μ μ −21

Pixeldetektor ATLAS27

Higgs-Produktion anProton-Proton-Speicherringen(LHC und Tevatron)30

Entdeckungskanäle:H γ γH τ τ −H jet jetMonte Carlo Simulationen31

Probleme des Standardmodells Ursprung der Masse? (kann das Higgs-Szenario lösen?) Das Standardmodell enthält 18 freie Parameter+ 7, wenn man die Neutrinomassen und derenKopplungen mit einbezieht. Mit 25 Parametern kann man vieles beschreiben. Warum gibt es drei Teilchengenerationen? Das Standardmodell sagt nichts über die Gravitation. Die Materiedominanz im Universum kann durchCP-Verletzung nicht erklärt werden. Hierarchie-Problem: warum z.B. ist die schwache Kraft10 32 mal stärker als die Gravitation?32

Ausweg: SupersymmetrieDie Theorie der Supersymmetrie wird seit 1970 entwickelt, umeinige Probleme des Standardmodells zu lösen;z.B. das Problem der Massenskalen:Warum ist die elektroschwache Skala (100 GeV) von derPlanckskala (10 19 GeV) so sehr verschieden. Bei der Planckskalasollten alle Wechselwirkungen gleich stark sein.z.B. das Problem der Kopplungskonstanten:• sie sind nicht wirklich konstant, sondern energieabhängig• in der Energieevolution treffen sie sich nicht an einem Punktbei der Planckmasse (wird durch SUSY gelöst).33

Im Rahmen der Supersymmetrie wird jedem Fermion ein bosonischer Partner(squark, selectron, smuon, stau, sneutrino, ...),und jedem Boson ein fermionischer Partner zugeordnet(photino, gluino, wino, gravitino, ...)Da noch keine SUSY-Teilchen entdeckt sind, muss dieSupersymmetrie gebrochen sein.34

SUSY1Standardteilchen (Spin )e , μ , τν e, ν μ, ν τqAustauschteilchen (Spin 1 ħ )γZ , W , W −gG Spin 2 ħ 2ħSUSY-Partner (Spin 0)e ,ν, eqμ , τν, μν τ1SUSY-Partner (Spin ħ )γZ ,g W ,G Spin 3 2W−ħ 2Massenskalen < 1 TeV erwartet∼35

KosmologieUrknall rapide Ausdehnung (Inflation) Hubble Expansionkosmologische Konstante: das Universum gibt wieder GasTheorie-Problem:Vakuumenergie der Quantenfeldtheoriekosmologische Konstante Λ=10 120 ???Dunkle Materie:mv 2r=G⋅ mMr 2 ⇒ v∝ 1 r36

Rotationsgeschwindigkeitenvon Sternen in Galxien37

Wilkinson MAP Daten38

22% Dunkle Materie74% Dunkle Energie4% baryonischeMaterieTrotz seinerSchönheit lässt dasStandardmodellnoch viele Fragenunbeantwortet40

Zusammenfassung und Ausblick Das Standardmodell beschreibt die Wechselwirkungen vonQuarks und Leptonen mit außerordentlich hoher Präzision Offene Fragen: Neutrinomassen Sehr viele freie Parameter Warum drei Generationen? Ist der Higgsmechanismus dieLösung für den Ursprung der Materie Warum sind die Kopplungen soenorm verschieden? Warum haben die Kopplungen die Werte,die sie haben? (kleine Abweichungenwürden die Bildung von Sternen, Planetenund Leben nicht ermöglichen). Quantengravitation noch nicht verstanden.41

LösungansätzeIn der Theorie:SupersymmetrieSupergravitationSuperstringtheorieTOEDer LHC sollte folgendes finden:das neutrale Higgs-Boson oderden Higgs-Sektor der minimal supersymmetrischenErweiterung des StandardmodellsAnzeichen von Supersymmetrischen Teilchenz.B. das stabile„Leichteste Supersymmetrische Teilchen“Die Gemeinde der Elementarteilchenphysiker wartet mitSpannung auf die ersten Resultate vom LHC42