Bunter Teilchenzoo

Standard Model of Elementary Particles

Hadronen

So nennt man alle stark wechselwirkenden Teilchen und deren Resonanzen. Je nach Quarkaufbau unterscheidet man:

Mesonen

(siehe auch Mesonen)

Bestehen aus einem Quark-Antiquark-Paar und haben damit ganzzahligen Spin, sind also Bosonen. Sie können z.B. in Nukleon Nukleon Reaktionen erzeugt werden ($p+n \rightarrow p+p+\pi^-$ oder $p+n \rightarrow p+n+\pi^0$).

Je nach Spineinstellung der Quarks unterscheidet man:

Skalare/pseudoskalare Mesonen

mit Gesamtspin J=0

Vektormesonen

mit Gesamtspin J=1

Beispiele

Name	Symbol	Quarks	Masse/MeV	Lebensdauer/s
Pseudoskalare Mesonen aus d, u und s Quarks
Pion	π+, π−	ud, ud	139,6	2,6 · 10−8
Pion	π0	(uu − dd)	135,0	8,3 · 10−17
Kaon	K+, K−	us, su	493,7	1,2 · 10−8
Kaon	KS0	(ds − sd)	497,6	9 · 10−11
Kaon	KL0	(ds + sd)	497,6	5,1 · 10−8
Eta	η0	(uu + dd)	547,8	5 · 10−19
Eta'	η'0	ss	958,8	3 · 10−21
Vektormesonen aus d, u und s Quarks
Rho	ρ+, ρ−	ud, ud	770	4 · 10−24
Rho	ρ0	(uu − dd)	770	4 · 10−24
Kaon	K*+, K*−	us, su	891,7	1,3 · 10−23
Kaon	K*0	(ds + sd)	896,0	1,3 · 10−23
Omega	ω0	(uu + dd)	782,6	7 · 10−22
Phi	Φ'0	ss	1020	2 · 10−22
Weitere Mesonen
D-Meson	D+, D−	cd, cd	1869,4	10,4 · 10−13
D-Meson	D0, D0	cu, cu	1864,6	4,1 · 10−13
Ds-Meson	Ds+, Ds−	cs, cs	1968,3	4,9 · 10−13
J/Psi	J/Ψ	cc	3096,9	8 · 10−19
B-Meson	B+, B−	ub, ub	5270,8	1,4 · 10−12
B-Meson	B0, B0	bd, bd	5274,2	1,4 · 10−12
Ypsilon	Y	bb	9460,4	1,3 · 10−20
Y(3940)	k.A.	cc-gluon	3940	k.A.

Baryonen

Bestehen aus 3 Quarks und haben damit halbzahligen Spin, sind also Fermionen.

Die Anzahl der Baryonen minus der Anzahl der Antibaryonen bleibt erhalten. Man ordnet daher den Baryonen die Baryonzahl B=+1 zu, und den Antibaryonen die Baryonzahl B=-1. Entsprechend haben Quarks die Baryonzahl B=+1/3 und Antiquarks B=-1/3.

Neutron

Quarkzusammensetzung:udd

Nachweis: Mit 3He. Trifft Neutron auf 3He, so wird es eingefangen und es kommt zur Reaktion, wobei Tritium und ein Proton übrigbleibt. Dieses Proton kann anhand seiner Ionisationsspur nachgewiesen werden.

Proton

Quarkzusammensetzung: uud

Gesamtdrehimpuls (Spin) $1/2$ und negative Parität -

Leptonen

Bilden zusammen mit den Quarks die Elementarteilchen. Sie haben Spin ½, sind also Fermionen, und soweit bekannt sind sie strukturlos, somit sind sie Dirac-Teilchen.

Elektron

Das Elektron ist mit 0.511 MeV das leichteste elektrisch geladene Elementarteilchen. Aufgrund seiner geringen Masse kann es nicht zerfallen, es ist das einzige stabile geladene Lepton

Myon

Das Myon ist ein Elementarteilchen, das dem Elektron ähnelt, jedoch eine deutlich höhere Masse (105,6 MeV/c2 statt 0,511 MeV/c2) aufweist. Es ist instabil hat jedoch mit $\tau_\mu\approx 2 \mu s$ nach dem Neutron die zweitlängste Lebensdauer eines instabilen Teilchens. Das muss wegen der Ladungserhaltung immer in ein Elektron zerfallen

$\mu \rightarrow e^+ +\overline{\nu}_e +\nu_\mu$.

Tau

Das τ-Lepton ist das schwerste der drei geladenen Leptonen des Standardmodells der Elementarteilchen. Seine Masse beträgt 1,777 GeV/c2 und damit etwa das 3477,5-fache seines leichten Schwesterteilchens, des Elektrons. Da es schwerer ist als die leichtesten Hadronen, kann es, außer in leichtere Leptonen, z.B. auch in Pionen zerfallen

$\tau^-\rightarrow\pi^-+\nu_\tau$,

dies geschieht sogar bei mehr als der Hälfte aller $\tau$ -Zerfälle.

Neutrinos

Ungeladene Leptonen. Es gibt sie in den 3 Flavours (e, μ oder τ). Zu jedem existiert auch das entsprechende Antineutrino. Da Neutrinos nur schwach wechselwirken, ist ihre Anwesenheit ein Indikator für die schwache WW. Es müssen aber nicht bei jedem schwachen Zerfall Neutrinos entstehen!

Nachweis durch: inverser Betazerfall: $p+\overline{\nu}_e \rightarrow n +e^+$

Leptonzahl

Die Zahl der Leptonen minus die Zahl der Antileptonen ist immer erhalten. Man defineirt daher die Leptonenzahl $L$. Diese kann sogar für die einzelnen Familien der Leptonen ($l= e, \mu, \tau$) definiert werden, sodass die Zahl

$N_{l}=N(l)-N(\bar{l})+N(\nu_{l})-N(\bar{\nu}_{l})$

immer erhalten ist.

Quarks

Quarks sind Elementarteilchen, die stark, schwach und elektromagnetisch wechselwirken. Sie tragen einen Spin von ½ und sind damit Fermionen.

Generation	Schwacher Isospin	Flavour	Name	Symbol	Ladung/e	Masse/MeV c-2
1	+½	Iz = +½	Up	u	+2/3	1,5 bis 3,0
1	−½	Iz = -½	Down	d	−1/3	3 bis 7
2	+½	C = +1	Charm	c	+2/3	1250 ± 90
2	−½	S = -1	Strange	s	−1/3	95 ± 25
3	+½	T = +1	Top	t	+2/3	170900 ± 1800
3	−½	B = -1	Bottom	b	−1/3	4200 ± 70

Die hier angegebenen Massen sind die Massen der "nackten" Stromquarks, nicht die der Konstituentenquarks!!

Austauschbosonen

Sie sind Bosonen und haben daher ganzzahligen Spin. Oft werden die folgenden Austauschbosonen auch Vektorbosonen genannt, da sie Spin 1 haben. Normalerweise kommen sie als vituelle Teilchen vor. Allerdings können Photonen, Z- und W-Bosonen auch im freien Raum propagieren und deshalb auch detektiert werden. Photonen können nicht zerfallen. Es gibt aber Paarerzeugung ab Photon-Energien im MeV-Bereich, da das der Masse von Elektron und Positron gemeinsam entspricht. Der Zerfall von Z- und W-Bosonen ist wegen ihrer hohen Masse möglich.

Elektromagnetischen Wechselwirkung:

Das Photon ist das Austauschboson der elektromagnetischen Wechselwirkung und hat Spin 1 und Parität -1. Es ist masselos.

Schwache Wechselwirkung:

Das Z0 -Boson und die W+ -, W- -Bosonen sind die Austauschboson der schwachen Wechselwirkung. Alle haben Spin 1, aber ihre Parität ist (noch) nicht definiert.

Das Z0 -Boson hat eine Masse von etwa 90GeV und trägt keine Ladung. Die Parität wird teilweise verletzt.

Das W+ -Boson hat Ladung +1e und hat eine Masse von etwa 80GeV. Das W- -Boson hat Ladung -1e und die selbe Masse wie das W+ -Boson. Sie verletzen die Pariät maximal.

Starke Wechselwirkung:

Es gibt aus den 3x3 Farben mit Antifarben 9 Möglichkeiten. Aus der Gruppentheorie kann begründet werden, dass sich diese aufteilen in ein Oktett und ein Singlett, wobei das Singlett an alle Farben gleich koppelt und uns daher nicht interessiert. Es gibt also 8 Gluonen, welche die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung sind. Sie sind masselos und haben Spin 1 und negative Parität -1.

Zerfälle: Wer, wie, wohin, wie lange?

Die 4 Grundkräfte

Berechnung der Lebensdauer

Die Lebensdauer eines Zerfalls ist proportional zu der reziproken Summe der möglichen Zerfallsbreiten:

$\tau_i=\frac{\hbar}{\sum_f \Gamma_{i \rightarrow f}}$

Mesonen

Alle Mesonen sind instabil. Sie zerfallen in leichtere Hadronen (meist Mesonen) und/oder schwach in Leptonen (Bsp.: $\pi^- \rightarrow \mu^- + \overline{\nu}_{\mu}$ mit $\tau \approx 10^{-8} s$). Mesonen ohne Ladung und Flavor-Quantenzahlen können auch elektromagnetisch in Photonen zerfallen (Bsp.: $\pi^0 \rightarrow \gamma + \gamma$ mit $\tau \approx 10^{-16} s$).

Baryonen

Unterliegen neben der starken Wechselwirkung noch der schwachen Wechselwirkung und, sofern sie geladen sind, auch der elektromagnetischen Kraft.

Sie zerfallen in leichtere Baryonen, bis hin zum Proton, das einzige Baryon, das als freies Teilchen stabil ist, das Proton, da nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik die Baryonenzahl eine absolute Erhaltungsgröße ist und das Proton das leichteste Baryon mit der Baryonenzahl 1 (bzw. −1) ist. Das Neutron zerfällt, wenn es nicht im Atomkern mit anderen Protonen und Neutronen gebunden ist.

Betrachtet man Reaktionen, in denen z.B. Kaonen entstehen, so fällt auf, dass diese immer paarweise entstehen (bzw mit einem anderen Teilchen mit Strangeness), z.B. $p+p \rightarrow p+p+K^-+K^+$. Dessen trägt ein neuer Erhaltungssatz Rechnung: Die Strangenesserhaltung.

Zerfallsarten und Liste siehe Baryonenliste

Leptonen

Leptonen unterliegen der schwachen Wechselwirkung und, sofern sie eine elektrische Ladung tragen, wechselwirken sie auch durch die elektromagnetische Wechselwirkung.

Bei einem Zerfall bleibt die Leptonenzahl separat für jede "Leptonensorte" erhalten.

Das Elektron ist als das leichteste Lepton stabil.

Das freie Myon zerfällt schwach über ein W-Boson in ein Myonneutrino, ein Antielektronneutrino und ein Elektron[. Das Antimyon zerfällt analog, nur dass jeweils die Antiteilchen der vorgenannten Teilchen entstehen. Zusätzlich kann beim Zerfall noch Gammastrahlung (Photonen) erzeugt werden.

Die experimentell bestimmte mittlere Lebensdauer des positiven Myons (Antimyon) beträgt 2,19703 ± 0,00004 µs. Das negative Myon hat in Materie einen zusätzlichen Zerfallskanal entsprechend dem K-Einfang durch ein Proton, wodurch es zu einem Neutron und Neutrinos reagiert. Dadurch ist die experimentell bestimmbare mittlere Lebensdauer des negativen Myons ca. 1 Promille kleiner als die des positiven Myons.

Das τ-Lepton hat eine Lebensdauer von 3 · 10^−13 s bevor es schwach z.B. in ein Myon, ein Antimyonneutrino und ein Taoneutrino zerfällt. Es kann auch in Elektronen oder Hadronen(Pi minus plus tau-neutrino) zerfallen.