Abbildungen der KET-Studie

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Kapitel 2: Das Weltbild der Teilchenphysik

2.1 Materie und Kräfte

Box 2.1 Die Äquivalenz von Masse und Energie

2.1.1 Die Materie

	Bild 2.1 Quarks und Leptonen, die Bausteine der Materie, bilden drei Familien. Die Quarks in jeder Familie tragen drei Unterscheidungsmerkmale, die man bildlich als "Farben" bezeichnet.
Bild 2.2 Die Rate der bei LEP nachgewiesenen Z-Bosonen, die die schwache Wechselwirkung vermitteln, hängt von der Anzahl der Neutrinoarten ab. Auf diese Weise konnte mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, dass es im Standardmodell drei Familien von Teilchen gibt.
	Box 2.2 Die Heisenberg'sche Unschärferelation, Quantenfluktuationen, virtuelle Teilchen
Box 2.3 Symmetrien, Eichinvarianz, Symmetriebrechung

2.1.2 Die fundamentalen Wechselwirkungen

	Box 2.4 Kräfte, Teilchen, Feynman-Diagramme
Bild 2.3 Die vier fundamentalen Kräfte, die zwischen Materieteilchen wirken. Die Materieteilchen sind als Pfeile dargestellt (siehe vorangehende Box). Die elektromagnetische Kraft wird durch den Austausch von Photonen ( vermittelt (gelbe Wellenlinie); die schwachen Kräfte durch W+-, W-- und Z- Teilchen (blaue Wellenlinie); die starke Kraft durch Gluonen g (rote Feder); und die Gravitationskraft durch Gravitonen G (graue gepunktete Linie).
	Bild 2.4 Die W- und Z-Bosonen wurden 1983 am CERN SppquerS-Collider entdeckt. Das Bild zeigt die Aufzeichnung einer Proton-Antiproton-Kollision mit dem UA1-Detektor. In der Vielzahl von Reaktionsprodukten erkennt man zwei sehr hochenergetische Teilchen (ein Elektron und ein Positron, gepunktete Linien), die unter großen Winkeln erzeugt wurden und aus dem Zerfall des Z-Bosons stammen.
Bild 2.5 Die elektromagnetische und die schwache Kraft, die bei der Streuung von Elektronen an Protonen in HERA wirken, werden bei hohen Energien, d. h. bei kleinen Abständen, gleich groß. An den sich annähernden Raten von Streuereignissen wird experimentell sichtbar, dass die beiden Kräfte nur unterschiedliche Manifestationen einer einheitlichen elektroschwachen Kraft
	Bild 2.6 Am Elektron-Positron-Speicherring PETRA bei DESY wurden die Gluonen, Träger der starken Wechselwirkung, entdeckt. Bei der Erzeugung eines Quark-Antiquark-Paars im Stoßprozess wird ein Gluon abgestrahlt. Die drei Teilchen manifestieren sich im Detektor als drei enge Bündel von Teilchen (Jets).
Bild 2.7 Die Stärke der starken Wechselwirkung ((s) nimmt mit wachsender Energie ab. Dieses als "asymptotische Freiheit" bezeichnete Verhalten war eine der bahnbrechenden Vorhersagen der QCD, der Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung.

2.1.3 Der Higgs-Mechanismus

Bild 2.8 Aus Präzisionsmessungen verknüpft mit theoretischen Präzisionsanalysen kann der Bereich, der für die noch unbekannte Masse des Higgs-Teilchens in Frage kommt, vorausgesagt werden. Er erstreckt sich von der Umgebung des Minimums bis hin zu Massen, bei denen die abgebildete Kurve etwa den Wert 4 annimmt. Die direkte Suche nach dem Higgs-Boson durch die LEP-Experimente wurden unterhalb von 114 GeV nicht fündig (gelber Bereich). Im Rahmen des Standardmodells wird daher ein leichtes Higgs- Teilchen mit einer Masse in der Nähe der direkten Ausschlussgrenze von 114 GeV, aber unterhalb von etwa 200 GeV erwartet.

2.2 Teilchenphysik und Kosmologie

Bild 2.9 Dichte der Materie (?M) und Dichte der dunklen Energie (?(; "kosmologische Konstante") im heutigen Universum. Die Messungen fußen auf der Beobachtung von weit entfernten Supernovae und von Temperaturfluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Der Überlappbereich zwischen den blau und gelb gekennzeichneten Bereichen ist experimentell favorisiert. Nur ein kleiner Bruchteil der Materie ist physikalisch bekannt. Die Natur der dunklen Energie ist noch gänzlich unerforscht.

2.3 Zentrale offene Fragen

2.3.1 Ursprung der Teilchenmassen

	Bild 2.10 Nachweis des Higgs-Teilchens beim Zerfall in zwei Photonen, wie er am LHC für eine Higgs-Masse von 130 GeV möglich sein wird (Simulation eines geplanten Experiments)
Bild 2.11 Wenn die Massen der fundamentalen Teilchen im Higgs-Mechanismus erzeugt werden, so zerfällt das instabile Higgs-Boson bevorzugt in schwere Teilchen. Die genauen relativen Raten für Zerfälle in verschiedene Teilchenpaare hängen von der noch unbekannten Masse des Higgs-Bosons ab. Sie können mit hoher Genauigkeit bei TESLA experimentell gemessen werden.

2.3.2 Einheitlicher Ursprung der Kräfte

	Bild 2.12 Die Stärke (Eichkopplungen) von elektroschwacher ((1 und (2) und starker ((s) Kraft ändert sich mit der Energie. Die Kräfte werden bei extrem hohen Energien - in supersymmetrischen Theorien - schließlich gleich stark und verschmelzen zu einer einzigen fundamentalen Kraft. Aufgetragen ist die reziproke Stärke.
Bild 2.13 Auch die Massen der supersymmetrischen Partnerteilchen von Photon, W/Z-Bosonen und Gluonen lassen sich aus einem einzigen Wert herleiten, wenn die Teilchenphysik nahe der Planck-Skala mit der Gravitation zu einer einheitlichen Universalkraft verbunden ist. Die Überprüfung dieser Idee erfordert die präzise Bestimmung der Größen M1, M2 und M3, wie sie bei LHC und TESLA möglich sein wird.

2.3.3 Struktur der Raumzeit