Sexl Physik 8, Schulbuch

Teilchenzahlerhaltung bei Fermionen Teilchen und Antiteilchen einer Sorte von Fermionen (z. B. Elektronen oder Nukleonen) können nur paarweise erzeugt werden. Fermionen gehorchen dem Pauli-Prinzip. Für Bosonen gilt keine Erhaltung der Teilchenzahl. Einige wichtige Teilchen Name Masse (MeV/c 2 ) Lebensdauer (Sekunden) erhaltene Teilchenzahl Teilchengruppe Photon γ 0 ∞ – Photon (Boson) Elektron-Neutrino ν e < 0,0002 ∞ Elektronzahl Lepton Elektron e – , e + 0,511 ∞ Elektronzahl (Fermion) μ-Neutrino ν μ ? ∞ Myonzahl Myon μ – , μ + 106 2 · 10 −6 Myonzahl τ -Neutrino ν τ ? ∞ Tauonzahl Tauon τ – , τ + 1777 3 · 10 −13 Tauonzahl Pion π + , π – 140 2 · 10 −8 – Meson Pion π 0 135 2 · 10 −16 – (Boson) Psion J/ Ψ 0 3096 7 · 10 −21 – Kaon K + , K 0 , K – 494 10 −8 , 10 −10 – Proton p 938,3 ∞ Baryonzahl Baryon Neutron n 939,6 880 Baryonzahl (Fermion) Lambda Λ 0 1116 3 · 10 −10 Baryonzahl Omega Ω – 1672 8 · 10 −11 Baryonzahl Die Bezeichnungen Leptonen , Mesonen und Baryonen (leichte, mittelschwere, schwere Teilchen) leiten sich aus den Massen ihrer wichtigsten Vertreter ab. Ein weiteres Beispiel einer Erhaltungsgröße bei der Erzeugung von Teilchen ist die Strangeness S (Seltsamkeit). Es wurde beobachtet, dass gewisse Teilchen nur ge- meinsam erzeugt werden. So findet man zwar die Reaktionen π – +p ¥Λ 0 +K 0 , π + +n ¥Λ 0 +K + , nicht aber π – +n ¥Λ 0 +K – . Dies lässt sich erklären, wenn man den „gewöhnlichen“ Teilchen π , p und n die Strangeness S = 0 zuordnet, während für Λ 0 und K – S = –1 sein soll. K + und K 0 sollen S = 1 haben. In Erzeugungsprozessen ändert sich die Gesamt-Strangeness nicht. Die seltsamen Teilchen (mit S ≠ 0 ) sind nicht stabil und zerfallen in gewöhnliche Teilchen wie z. B. Λ 0 ¥ p+ π – oder Λ 0 ¥ p+ e – +  äää  ν . Die Strangeness ist ein Beispiel für eine Größe, die in einem Erzeugungsprozess erhalten, in einem Zerfallsprozess jedoch nicht erhalten ist. 2.4 Das Quarkmodell Der US-Amerikaner M urray G ell -M ann (geb. 1929) fand 1964 ein Ordnungsprinzip für Baryonen und Mesonen. Mit einigen Erweiterungen erklärt es auch heute noch die Vielfalt der Teilchen mit wenigen fundamentalen Bausteinen, den Quarks. G ell -M ann erkannte, dass sich die Nukleonen p , n und alle weiteren, damals be- kannten und in Experimenten gefundenen Baryonen und Mesonen aus drei funda- mentalen Bausteinen aufbauen lassen (  68.3 ). Dazu führte er die Quarks u (up), d (down) und s (strange, seltsam) und ihre Antiquarks   äää  u ,   äää  d ,   ää  s ein – drei weitere Quarksorten ( c = charm, b = bottom, t = top) sind seither dazugekommen. Im Quarkmodell ist z. B. das Proton kein elementares Teilchen, sondern sozusagen ein Molekül aus drei Quarks. Nach heutigem Wissenstand haben Quarks keine in- nere Struktur. Für den Erfolg des Quarkmodells muss man annehmen, dass die elektrische La- dung der Quarks ein bzw. zwei Drittel der Elementarladung beträgt (  68.2 ). 68.1 Das Ω – -Teilchen wurde im Jahre 1964 in den Teilchenspuren in einer mit flüssigem Was- serstoff gefüllten Blasenkammer entdeckt. Die auftretenden Teilchenarten sind in der Zeich- nung bezeichnet: K – +p ¥ Ω – +K 0 +K + . Quark Ladung Seltsamkeit Spin u 2/3 0 Ç /2 d −1/3 0 Ç /2 s −1/3 −1 Ç /2 68.2 Die Eigenschaften der Quarks im Modell von G ell -M ann . Die Baryonenzahl der Quarks ist 1/3, der Antiquarks −1/3. Die elek trische Ladung ist als Bruchteil der Elementar- ladung angegeben. Teilchen Aufbau p uud n udd Δ ++ uuu Ω - sss Λ 0 uds π + u  äää  d K + u  ää  s K -   äää  us 68.3 Quarkstruktur einiger Teilchen 68 Teilchenphysik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv