Big Bang HTL 4, Schulbuch

162 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) Überlege, zwischen welchen Teilchen die schwache Wechselwirkung wirkt. L Im Rahmen der GUT kann sogar ein Proton zerfallen. Überlege, ob auch ein Elektron zerfallen kann. L Überlege, wie es möglich ist, drei Kräfte in einer GUT zu vereinigen, wenn sie doch so unterschiedlich große Stärken aufweisen (Tab. 17.7, Kap. 17.2.3). L Stelle folgende Wechselwirkungen durch Feynman- Diagramme dar: a) Starke WW der Quarks in π + , b) Zusammenstoß von Positron und Elektron unter Erzeugung eines Photons, c) Aussendung und Einfang eines virtuellen Photons durch ein Elektron. L Begründe, wie das Higgs-Teilchen eine Masse haben kann, wenn es doch für die Erzeugung der Masse verantwortlich sein soll. L Überlege, wie die supersymmetrischen Teilchen von Lep- tonen, Z-Boson, Photon, Higgs und Graviton heißen. L Lange Zeit war nicht klar, ob sich Neutrinos mit Licht- geschwindigkeit bewegen oder nicht. Dann entdeckte man, dass sich Neutrinos ineinander umwandeln können. Zum Beispiel kann sich ein Elektron-Neutrino, das von der Sonne kommt, auf dem Flug zur Erde in ein Myon-Neutrino umwandeln. Damit war klar, dass sich Neutrinos nicht mit c bewegen können. Begründe warum. Verwende die Gleichung t b = t r √ ____ 1 − v 2 __ c 2 aus der SRT (siehe Kap. 10.2). L Im Jahr 2011 wurde scheinbar gemessen, dass sich Neutrinos etwas schneller als das Licht bewegen. Später konnte dieses Ergebnis jedoch auf einen Messfehler zurückgeführt werden – Neutrinos sind nicht überlichtschnell! Auf jeden Fall kursierten im Internet nach der vermeintlichen Entdeckung Neutrino- witze, unter anderem auch die folgenden zwei: „Neutrino!“ – „Wer ist da?“ – „Toc, toc.“ „Um auf die andere Seite zu kommen! Warum über- queren Neutrinos die Straße?“ Überlege, worauf diese beiden Witze anspielen. L Du stehst an einem wunderschönen Abend in der Natur und beobachtest den Sonnenuntergang. Du hast aber keine romantischen Gefühle und schätzt lieber ab, wie viele Sonnenneutrinos jede Sekunde pro cm 2 durch deinen Körper fliegen. Gehe dazu folgendermaßen vor: a Die Sonne hat eine Leistung von 3,9 · 10 26 W. Die Proton-Proton-Reaktion macht rund 90 % der Fusions- vorgänge in der Sonne aus. Gehe vereinfacht von 100 % aus. Bei dieser Reaktion werden in Summe 4,2 · 10 –12 J an Energie freigesetzt. Berechne, wie viele solcher Reaktio- nen daher pro Sekunde in der Sonne ablaufen müssen. Berechne, wie viele Neutrinos ( ν e ) dabei freigesetzt werden. L b Der Abstand Erde-Sonne beträgt etwa 150 Milliarden Meter. Schätze ab, wie viele Neutrinos pro Sekunde auf der Erde durch einen Quadratzentimeter Fläche fliegen, der normal zur Achse Erde-Sonne steht. Diese Anzahl fliegt daher auch durch jeden Quadratzentimeter deines Körper. L Freie Myonen sind instabil und zerfallen. Dabei gibt es drei Möglichkeiten: µ – → e – + ν µ + — ν e µ – → e – + ν µ + — ν e + γ (1,4%) µ – → e – + ν µ + — ν e + e + + e – (3,4 · 10 –5 ) Myonen können also zerfallen. Begründe, warum man dann davon sprechen kann, dass sie elementar sind. L Schlage nach, aus welchen Quarks ein Proton besteht. Überlege, welche Masse ein Proton daher besitzen müsste. Recherchiere, welche es tatsächlich besitzt. Begründe, wie man die Diskrepanz erklären kann. L Photonen haben keine Ladung und sind ihre eigenen Antiteilchen. Das Neutron hat ebenfalls keine Ladung. Ist es sein eigenes Antiteilchen (Abb. 17.28)? L a Schätze allgemein die maximale Reichweite ∆ s von virtuellen Teilchen anhand ihrer Masse ab. Verwende dazu die Gleichungen ∆ E = mc 2 und ∆ E · ∆ t ≥ h __ 13 . L b Die schwache Wechselwirkung wird durch virtuelle W + , W – und Z 0 -Bosonen vermittelt. Sie beträgt nur rund 10 –18 m. Schätze mit Hilfe der Formel aus A31 a ihre Masse inkg ab und vergleiche sie mit der Masse von Protonen (1,7· 10 –27 kg). L Überlege: Hat Antimaterie auch Antimasse? L Begründe, welche der folgenden Reaktionen erlaubt sind, welche verboten! L a) p + — p → π + + π – + π 0 d) e + + e – → p + — p b) p + π – → p + e – e) γ + p → n + π + c) ν µ + p → µ + + n Im CERN-Shop kann man die Tasse in Abb. 17.29 kaufen. Recherchiere, was die Formel bedeu- tet, die darauf zu sehen ist! L F19 A1 F20 A2 F21 A2 F22 A1 F23 A2 F24 A1 F25 A2 F26 A1 F27 A2 F28 A2 F29 A1 F30 A1 Abb. 17.28 F31 A1 A2 F32 A2 F33 A2 F34 A2 Abb. 17.29 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv