Title: Zurück zum Urknall – wie die Teilchenphysik mit dem LHC auf Zeitreise geht

Aufbau von Teilchen

Baue ein Proton

- Baue mit den Angaben aus dem Heft ein Proton!
- [Image: up]
- [Image: strange]
- [Image: bottom]
- [Image: down]
- [Image: charm]
- [Image: up]
Q: Proton
A: [Image: down]; [Image: up]; [Image: up]

Baue ein Neutron

- Baue mit den Angaben aus dem Heft ein Neutron!
- [Image: up]
- [Image: strange]
- [Image: down]
- [Image: down]
- [Image: top]
- [Image: top]
Q: Neutron
A: [Image: down]; [Image: down]; [Image: up]

Wie baut sich das Elektron auf?

Q: Der Aufbau des Elektrons unterscheidet sich stark von dem Aufbau eines Protons oder Neutrons, denn im Elektron...
- steckt von jeder Sorte der Quarks je genau eines.
- kann man auf verschiedene Weisen aus Quarks aufbauen.
- ist selbst ein Elementarteilchen, d.h. es besteht aus keinen kleineren Teilchen. (correct)
- schwankt in seiner Zusammensetzung abhängig vom elektrischen Feld, in dem es sich befindet.

Standardmodell aufbauen

- [Image: nm]
- [Image: Up]
- [Image: t]
- [Image: m]
- [Image: e]
- [Image: b]
- [Image: ntau]
- [Image: ne]
- [Image: tau]
- [Image: s]
- [Image: d]
- [Image: c]
- Modelldarstellungen der Fermionen
- [Image: Tabelle des Standardmodells der Fermionen]
- elektrische
Ladung
- \(2/3\)
- \(-1/3\)
- \(0\)
- \(-1\)
Q: 1
A: [Image: Up]
Q: 1
A: [Image: c]
Q: 1
A: [Image: t]
Q: 1
A: [Image: b]
Q: 1
A: [Image: s]
Q: 1
A: [Image: d]
Q: 1
A: [Image: e]
Q: 1
A: [Image: m]
Q: 1
A: [Image: tau]
Q: 1
A: [Image: ntau]
Q: 1
A: [Image: nm]
Q: 1
A: [Image: ne]
Q: elektrische Ladung
A: \(2/3\)
Q: elektrische Ladung
A: \(2/3\)
Q: elektrische Ladung
A: \(-1/3\)
Q: elektrische Ladung
A: \(-1/3\)
Q: elektrische Ladung
A: \(-1/3\)
Q: elektrische Ladung
A: \(-1\)
Q: elektrische Ladung
A: \(-1\)
Q: elektrische Ladung
A: \(-1\)
Q: elektrische Ladung
A: \(0\)
Q: elektrische Ladung
A: \(0\)
Q: elektrische Ladung
A: \(0\)

Unbenannt: Text

Vorsicht: Die Modelldarstellungen der Elementarteilchen sollen niemals zeigen, wie sie wirklich aussehen. Vielmehr sind sie für uns Unterscheidungsmöglichkeiten. Im wissenschaftlichen Rahmen werden sie aber eher durch ihre physikalischen eigenschaften unterschieden. Dabei helfen diese einerseits die Elementarteilchen in das Modell an die richtige Stelle einzusetzen und andererseits lassen sich dadurch auch Aussagen über weitere Eigenschaften der einsortierten Teilchen machen.

Vergleich von Darstellungen des Standardmodells

Unbenannt: Text

Im Standardmodell können die Elementarteilchen nach Zeilen und Spalten (Generationen) einsortiert werden. Um dies genauer zu untersuchen betrachten wir die Abbildung des Standardmodells aus Wikipedia im Vergleich zur Abbildung aus der TechMax-Ausgabe. Benutze zum Vergleich den Schieberegler darunter.

Vergleich der Abbildungen zum Standardmodell

Abbildung von Wikipedia

[Image: Abbildung aus der TechMax-Ausgabe]

Abbildung aus der TechMax-Ausgabe

Vergleich

Q: Vergleiche die beiden Abbildungen hinsichtlich:

1. Struktur
2. Informationsgehalt
A: 1. Struktur:
Die Abbildung aus TechMax (ab hier: Abbildung T) ist streng nach den Generationen getrennt strukturiert. Über die Generationen hinaus ist ein Zusammenhang der Quantenobjekte zwa durch die Sortierung innerhalb der Generation gegeben, aber nicht offensichtlich. In der Abbildun aus Wikipedia (an hier: Abbildung W) sind die Gerneationen in den Spalten und die Teilchensorten in den Zeilen offensichtlicher sturkturiert. Allerdings suggeriert dies auch, dass die Wechselwikungsbosonen in die jeweiligen Zeilen passen. Welche Wechselwikung auf welche Teilchen wirkt wird nur schwach durch den gelblichen Hintergrund sichtbar, und ist nicht offensichtlich abhängig von der Lage in der Abbildung. Zum Beispiel wirken die Bosonen der schwachen Wechselwirkung, die Z- und die W-Bosonen, auf alle Arten von Quantenobjekten, stehen aber in den Zeilen der Leptonen. In Abbildung T sind die Wechselwikungen aus der Tebelle der anderen Teilchen entkoppelt. Trotzdem lässt die Anordnung der Wechselwikrungsbosonen den Eindruck, dass sie verschiedenen Generationen zugeordnet wären.
2. Informationsgehalt:
Abbildung T zeigt im wesentlichen nur die verschiedenen Arten der Elementarteilchen, deren Einordnung in Generationen und deren elektrische Ladungen. Dazu informiert sie über die Arten der Wechselwikungsbosnen, deren zugeordnete Kraft und gib eine Einordnung in deren relative Beträge.
Außgenommen diesem letzten Aspekt beinhaltet Abbildung W alle Informationen aus Abbildung T. Darüber hinaus gibt sie viele weitere Informationen über Masse und Spin der Elementarteilchen und darüber, welche Kraft auf welche Quantenobjekte wirkt. Zudem beinhaltet sie auch Informationen zum Higgs-Boson.

Zusammensetzungen aus Elementarteilchen

Unbenannt: Text

Das Myon (Abkürzung: \(\mu\)) ist ein Elementarteilchen, das wie das Elektron eine negative Elementarladung trägt und zu den Leptonen gehört. Seine Ruhemasse beträgt das 207-fache der Ruhemasse des Elektrons. In Teilchenbeschleunigern werden Myonen z. B. dadurch erzeugt, dass man Neutronen in schweren Kernen mit hochenergetischen Protonen beschießt. Dabei entstehen zunächst einfach negativ geladene \(𝜋^-\)−Mesonen, die aus zwei Quarks der 1. Generation (up-, down-Quark und deren Antiteilchen) bestehen.
Um den Umgang mit Antiteilchen zu üben, genügt es zu wissen, dass Antiteilchen "Spiegelbilder" von Teilchen sind und sich (unter anderem) im Vorzeichen der elektrischen Ladung zu dem Teilchen unterscheiden. Jedes Teilchen hat sein Antiteilchen, z.B. ist das Antiteilchen des Elektron das sogenannte Positron (oder auch Antielektron). Das Positron hat dieselbe Masse wie das Elektron, ist aber elektrisch positiv geladen.
Auch Quarks haben ihre Antiteilchen und bilden mit ihnen Mesonen, also Zusammensetzungen aus zwei Quarks. Das funktioniert aber nur nach bestimmten Regeln.

Untersuche im untenstehenden Hotspot-Bild die verschiedenen Mesonen und beantworte dann die Frage darunter.

Mesonen

Bottom und Antibottom

Unbenannt: Text

Ein Quark-Antiquark-Meson kann es geben, auch wenn sich Materie und passende Antimaterie gegenseitig auslöschen können. Mesonen aus einem Quark und dem zugehörigen Antiquakr nennt man Quarkonia (Singular: Quarkonium).

Down und Charm

Unbenannt: Text

Dieses Meson kann nicht existieren, weil es keine ganzzahlige Ladung hätte.

Antitop und Antistrange

Unbenannt: Text

Dieses Meson kann nicht existieren, weil es keine ganzzahlige Ladung hätte.

Up und Antistrange

Unbenannt: Text

Dieses Meson kann existieren und heißt dann Kaon (\(K^+\)).

Charm und Antidown

Unbenannt: Text

Dieses Meson kann existieren und heißt dann D-Meson (\(D^+\)).

Charm und Antibottom

Unbenannt: Text

Dieses Meson kann existieren und heißt dann B-Meson (\(B_c^+\)).

Credits: mögliche Mesonen; by Benedikt Müller; 2020; licence PD CC PDM

Regeln für Mesonen

Q: Welche dieser Regeln für die Bildung von Mesonen sind korrekt?
- Mesonen bestehen aus zwei Quarks. (correct) (Richtig, wenn drei Quarks zusammenhalten, nennt man das zusammengesetze Teilchen "Baryon".)
- Mesonen bestehen aus einem Quark-Quark-Pärchen. (Es ist verboten, dass sich zwei Quarks zusammentun.)
- Mesonen haben immer die elektrische Ladung 0. (Leider falsch. Beispielsweise das \(D^+\)-Meson hat eine positive Ladung.) (if not chosen: Korrekt. Beispielsweise das \(D^+\)-Meson hat eine positive Ladung.)
- Jedes Meson besteht aus einem Quark-Antiquark-Pärchen. (correct)