Particle and High Energy Physics

* Structures in Micro Objects * Hadrons and Strong Interaction Die Hadronen (von griech. "hadrós"...stark) sind Teilchen, welche der starken Wechselwirkung unterworfen sind (Hideki Yukawa, 1935). Nach dem Partonen-Modell sind die Hadronen aus Quarks als Bausteinen aufgebaut (Murray Gell-Mann, 1964). Baryonen (q1q2q3) bestehen aus 3 Quarks q1,q2,q3, haben Baryonenzahl B = 1 und sind sämtlich Fermionen (mit halbzahligem Spin). Mesonen (q1q2*) sind aus einem Quark q1 und einem Anti-Quark q2* zusammengesetzt, haben Baryonenzahl B = 0 und sind sämtlich Bosonen (mit ganzzahligem Spin). Mit u, d, s, c, b, t bezeichnen wir das Up-, Down-, Strange-, Charm-, Bottom- und Top-Quark. Es gibt 3 Generationen von Quarks: Generation Teilchen Symbol Ladung Spin Ruh-Energie Verifikation 1. Generation Up-Quark u +2/3 1/2 5.6 MeV 1971 Down-Quark d -1/3 1/2 9.9 MeV 1971 Up-Antiquark u* -2/3 1/2 5.6 MeV Down-Antiquark d* +1/3 1/2 9.9 MeV 2. Generation Strange-Quark s -1/3 1/2 199 MeV 1971 Charm-Quark c +2/3 1/2 1350 MeV 1974 Strange-Antiquark s* +1/3 1/2 199 MeV Charm-Antiquark c* -2/3 1/2 1350 MeV 3. Generation Bottom-Quark b -1/3 1/2 4.7 GeV 1977 Top-Quark t +2/3 1/2 176 GeV 1994 Bottom-Antiquark b* +1/3 1/2 4.7 GeV Top-Antiquark t* -2/3 1/2 176 GeV Wir fassen Teilchen mit gleichem Spin und gleicher Baryonenzahl zu Isospin-Multipletten zusammen. Die Mitglieder eines Multiplettes besitzen dann ähnliche Ruhemassen aber verschiedene Ladungen. Isospin-Symmetrie bedeutet daher Invarianz unter der starken Wechselwirkung, nicht aber unter der elektromagnetischen Wechselwirkung. Isospin-Multiplett Spin Spin-Konfiguration Teilchen Quarks Ruh-Energie Lebensdauer Skalar-Mesonen 0 S = (+,-) Pion pi+ = (ud*) 139.6 MeV Pion pio = (uu*) + (dd*) 135 MeV Pion pi- = (du*) 139.6 MeV Vektor-Mesonen 1 V = (+,+) Rho rho+ = (ud*) Rho rhoo = (uu*) + (dd*) Rho rho- = (du*) Nukleonen 1/2 N = (+,-,+) Proton p = (uud) 938.3 MeV > 1029 a Neutron n = (udd) 939.6 MeV 15 min Nukleon-Resonanzen 3/2 R = (+,+,+) Delta Delta++ = (uuu) Delta Delta+ = (uud) Delta Deltao = (udd) Delta Delta- = (ddd) Hyperonen 1/2 H = (+,-,+) Lambda Lambdao = (uds) 1116 MeV 10-10 s Sigma Sigma+ = (uus) 1189 MeV Sigma Sigmao = (uds) 1193 MeV Sigma Sigma- = (dds) 1197 MeV Xi Xio = (uss) 1315 MeV Xi Xi- = (dss) 1321 MeV Omega Omega- = (sss) 1672 MeV Hyperon-Resonanzen 3/2 R = (+,+,+) Sigma* Sigma*+ = (uus) Sigma* Sigma*o = (uds) Sigma* Sigma*- = (dds) Xi* Xi*o = (uss) Xi* Xi*- = (dss) Omega* Omega*- = (sss) Leptons and Weak Interaction Leptonen (von griech. "leptós"...schwach) sind Teilchen, die an der schwachen Wechselwirkung beteiligt sind. Es gibt 3 Generationen von Leptonen, die jeweils aus einem elektromagnetisch und gravitativ wechselwirkenden (d. h. geladenen und massiven) Teilchen, einem zugehörigen ungeladenen und praktisch masselosen (also wirklich nur schwach wechselwirkenden) Neutrino und den entsprechenden Antiteilchen bestehen. Generation Teilchen Symbol Spin Ruh-Energie Lebensdauer Hypothese Verifikation 1. Generation Elektron e- 1/2 0.5 MeV unsterblich P.Lenard, J.J.Thomson, 1897 Positron e+ 1/2 0.5 MeV unsterblich P.A.M.Dirac, 1928 C.D.Anderson, 1932 Elektron-Neutrino nye 1/2 Elektron-Antineutrino nye* 1/2 W.Pauli, 1931 C.L.Cowan, F.Reines, 1956 2. Generation Myon my- 1/2 100 MeV 10-6 s C.D.Anderson, S.H.Neddermeyer, J.C.Street, E.C.Stevenson, 1937 Antimyon my+ 1/2 100 MeV 10-6 s Myon-Neutrino nymy 1/2 M.Schwartz, 1962 Myon-Antineutrino nymy* 1/2 3. Generation Tauon tau- 1/2 1.8 GeV M.L.Perl, 1977 Antitauon tau+ 1/2 1.8 GeV Tauon-Neutrino nytau 1/2 Tauon-Antineutrino nytau* 1/2 International Research Centers of High Energy Physics CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucleaire, Geneve-Meyrin, Suisse SLAC, Stanford Linear Accelerator Center, San Francisco, Palo Alto, California, USA FNAL, Fermi National Accelerator Laboratory, Chicago, Illinois, USA DESY, Deutsches Elektronen Synchrotron, Hamburg, BRD HIRL, Heavy Ion Research Laboratory, Darmstadt, BRD GSI, Gesellschaft für Schwer-Ionen-Forschung, Darmstadt, BRD