Big Bang HTL 4, Schulbuch

156 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) Zusammenfassung Alle Materieteilchen, die keine Leptonen sind, sind aus Quarks aufgebaut. Damit das Pauli-Prinzip nicht verletzt wird, musste man die „Farbladung“ einführen. 17.2.3 Wechselwirkungsteilchen Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt mit Leptonen und Quarks alle Teilchen, aus denen die Materie im Universum besteht – und auch drei der vier beobacht- baren Kräfte und zwar durch den Austausch von Teilchen. ?: Fragenbox Wie ist es möglich, eine Kraft durch die Übertragung eines Teilchens zu erklären? Sehen wir uns dazu den Ballwurf am Boot an ( F12 ). Wirft die linke Person den Ball, erfährt sie einen Rückstoß nach links. Fängt die rechte Person kurz spä- ter den Ball, erfährt sie einen Bremsstoß nach rechts. Durch den Austausch des „Teilchens“ bewegen sich die Boote aus- „Quark-Farben“ In Abb. 17.12 siehst du die additiven Grundfarben ( F10 ). Die Mischung von rot, grün und blau ergibt, wie bei einem Display, weiß. In Analogie dazu weist man den Quarks die Farbladungen rot, grün und blau zu (Tab. 17.6). Alle drei zu- sammen sind nach außen hin farbneutral, etwa bei den Nukleonen (Abb. 17.9) oder beim ∆ ++ -Teilchen (Abb. 17.11 a). Abb. 17.12: Grund- und Misch- farben der Lichtfarben: In Analogie dazu sind den Quarks rot, grün und blau zugewiesen, den Anti-Quarks anti-rot, anti-grün und anti-blau. Neben den Quarks gibt es auch die Anti-Quarks, denen man die Anti-Farben anti-rot (cyan), anti-grün (purpur) und an- ti-blau (gelb) zuweist. Mischt man in der Realität eine Farbe mit ihrer Komplementärfarbe, so erhält man weiß (z. B. blau und gelb = weiß). In Analogie dazu bedeutet das bei den Quarks, dass auch die Mischung von Farbe und Anti-Farbe farbneutral ist, etwa beim π + -Teilchen (blau und anti-blau = farbneutral; Abb. 17.11 b). Quarks Anti-Quarks rot grün blau anti-rot anti-grün anti-blau Tab. 17.6: Alle Farbladungen einer Geschmacksrichtung: Weil es sich bei der Farbe ähnlich wie beim Spin um einen „inneren Freiheitsgrad“ handelt, werden diese Variationen nicht extra gezählt. i Z einander (Abb. 17.16 a), als würde zwischen ihnen eine ab- stoßende Kraft wirken. Auf diese Weise kann man sich zum Beispiel auch die Abstoßung zweier Elektronen durch den Austausch eines Photons vorstellen (Abb. 17.13 b). Dabei kommt es zu einer wechselseitigen Wirkung zwischen den Elektronen. Man spricht daher allgemein statt von Kräften auch oft von Wechselwirkungen. Abb. 17.13: a) Die Wechselwirkung durch den Ballwurf führt zu einer „Abstoßung“ der Boote. b) Abstoßung zweier Elektronen durch den Austausch eines Photons c) Die Darstellung in b) ist gleichwertig mit der Erklärung der Abstoßung durch ein elektromagnetisches Feld. Wie es durch Teilchenaustausch zu einer anziehenden Kraft kommt, kann leider nicht bildlich veranschaulicht, sondern nur durch sehr komplizierte Mathematik berechnet werden. Alle vier fundamentalen Wechselwirkungen in diesem Univer- sum lassen sich auf den Austausch von Bosonen zurückfüh- ren (Tab. 17.7). Die Gravitation wird aber nicht durch das Stan- dardmodell beschrieben, sondern durch die (nicht quanti- sierte) Allgemeine Relativitätstheorie (siehe Kap. 17.3). Woher kommen diese Austauschteilchen? Die Antwort ist verblüffend: Aus dem Nichts! Die Quantenmechanik zeigt, dass selbst das Vakuum niemals leer ist, sondern dass pausenlos virtuelle Teilchen entstehen und wieder vergehen (Abb. 17.14, F13 ). Das Vakuum brodelt! Nach dem Stan- dardmodell vermitteln die im Vakuum entstehenden virtuel- len Teilchen die Kräfte. Alle im Universum auftretenden Kräfte kann man also durch Teilchen erklären, die gar nicht wirklich da sind und die man niemals direkt messen kann. Info: Aus dem Nichts Was versteht man unter dem Begriff Feld? Lies nach in Kap. 4.1, NAWI II! Was versteht man unter Ruhemas- se und dynamischer Masse? Welcher Zusammenhang besteht zwischen diesen? Lies nach in Kap. 11.1! Zwei Personen in einem Boot werfen einander einen Ball zu (Abb. 17.13). Was passiert dabei mit den Booten? Und warum passiert es? Was versteht man unter Vakuum? Warum kann es kein „echtes“ Vakuum geben? Lies nach in Kap. 13.5! Wenn Nukleonen aus Quarks bestehen, warum hat man dann noch nie in einem Teilchenbeschleuniger ein freies Quark gefunden? F11 F12 F13 F14 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv