Teilchenphysik

Kern-/Teilchenphysik

Teilchenphysik

  • Was ist der Unterschied zwischen Teilchen …
  • … und ihren Antiteilchen?
  • Welche fundamentalen Wechselwirkungen kennen wir?
  • Wie sieht das Standardmodell der Elementarteilchen aus?
Um über ein Atom, einen Atomkern oder ein Elementarteilchen Näheres zu erfahren, haben wir im Wesentlichen zwei Grundtypen von Experimenten kennen gelernt.

Das "Anregungsexperiment": Dem Atom wird Energie zugeführt und man beobachtet die "Äußerungen" des Atoms.

Ein Beispiel für diesen Typ ist das Experiment mit der Balmerröhre. Den Wasserstoffatomen wird über eine elektrische Entladung Energie zugeführt und man beobachtet die sich als Folge der Anregung ergebenden Spektrallinien. Aus deren Wellenlängen kann man Rückschlüsse auf die Energiestufen im Atom ziehen.

Das "Streuexperiment": Das Atom wird mit Teilchen bombardiert und man beobachtet die Verteilung der gestreuten Teilchen.

Ein sehr bekanntes Beispiel für diesen Typ ist der Versuch von Rutherford (Geschosse: α-Teilchen), durch den man zu Beginn des vorigen Jahrhunderts zu der noch heute gültigen Kern-Hülle-Struktur des Atoms gelangte (die entsprechneden Überlegungen dazu findes du hier).

In der Kernphysik spielen die Streuexperimente eine ganz wesentliche Rolle, daher soll auf diesen Typ noch etwas näher eingegangen werden.

Grundaufbau eines Streuexperiments

Ein kollimierter Teilchenstrahl wird an einem Target (engl.: Ziel) gestreut. Aus der Winkelverteilung der gestreuten Teilchen schließt man auf die Struktur des Targets und auf die Art der Kräfte zwischen den Geschossen und den Bausteinen des Targets.

Aus der Streuverteilung der Geschosse und mit einer sinnvollen Modellvorstellung können dann Aussagen über die Struktur des zu untersuchenden Objekts gemacht werden.

Zu Streuexperimenten und ihrer Auswertung gibt es ein einfaches mechanisches Analogiemodell: Man stelle sich einen geschlossenen Karton vor, dessen gesamte Masse zwar bekannt ist, von dem man aber nicht weiß, wie sich die Masse über das Innere des Kartons verteilt. Das Innere des Kartons könnte aus einem Stoff kleiner Dichte wie z.B. Schaumstoff bestehen, der sich über das gesamte Volumen des Kartons erstreckt, oder aber es könnten sich im Karton an einigen Stellen kleine Körper aus einem Material mit hoher Dichte wie z.B. Blei befinden, deren einzelnen Massen sich zur Gesamtmasse addieren.

Wie kann man nun herausfinden, was sich genau im Inneren des Kartons befindet? Man stelltt den Karton auf einen Tisch und beschießt ihn mit verschiedenen Objekten!

Sind die Objekte groß, z.B. Fuß- oder Tennisbälle, so wird sich zwar der ganze Kartonk in Bewegung setzen, aber eine Information über das Innere des Kartons wird man so nicht erhalten.

Nimmt man kleinere Objekte, z.B. Dartpfeile, und wirft sie feste gegen den Karton, so werden diese womöglich den Karton durchdringen. Gehen alle Pfeile mit kleinerer Geschwindigkeit gerade durch den Karton hindurch, so wird die Masse im Karton homogen verteilt sein; werden aber einzelne Pfeile mehr oder weniger stark abgelenkt oder prallen sie gar von dem Karton ab, so kann man schließen, dass sich im Inneren des Kartons dichtere Materieklumpen befinden, mit denen die Pfeile zusammengestoßen sind.

Ist das letztere der Fall und beschießt man schließlich den Karton mit Gewehrkugeln, so kann es sein, dass aus dem Karton einzelne Materiestücke herausplatzen; dann kann man anhand dieser Stücke und ihrer Flugrichtungen sogar auf den inneren Aufbau der Materieklumpen im Karton schließen.

Experimente zur Teilchenphysik sind aufwändig, teuer und im Schulalltag nicht realisierbar - so die landläufige Meinung. Dabei lassen sich verschiedene Aspekte der Teilchenphysik auch mit bekannten Demonstrationsexperimenten untersuchen. "Klassische" Versuche wie die Braun'sche Röhre, die Fadenstrahlröhre etc., von Julian Merkert im Rahmen seiner Staatsexamensarbeit gezielt aufbereitet für die Teilchenphysik und ergänzt um passende Aufgaben, finden sich bei CERN Education. Die Arbeit wurde von Prof. Dr. Günter Quast (IEKP, Universität Karlsruhe) und Dr. Sascha Marc Schmeling (CERN) betreut.

von Own work (Eigenes Werk) [GFDL oder CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

Die Nebelkammer ist einer der ältesten Detektoren für Elementarteilchen. In ihrer einfachsten Form kann eine Nebelkammer mit einfach zu beschaffenden Materialien selbst hergestellt werden.

Das Materialpaket des Netzwerks Teilchenwelt bietet eine Anleitung zum Selbstbau einer Nebelkammer, didaktische und methodische Hinweise sowie Antworten auf häufige Fragen über Trockeneis. Zwei Informationsblätter liefern Hintergrundwissen über die in der Nebelkammer sichtbaren Teilchenspuren sowie über kosmische Teilchen.

Das Materialpaket des Netzwerks Teilchenwelt und weitere Informationen zum Selbstbau von Nebelkammern findest du hier.

Schülerinnen und Schüler bei einer Teilchenphysik-Masterclass. Bild: Netzwerk Teilchenwelt

Da es schwierig ist, in der Schule eigene Experimente zur Teilchenphysik durchzuführen, bietet das Netzwerk Teilchenwelt die Gelegenheit, mit originalen Messdaten der Experimente des Large Hadron Colliders am CERN zu arbeiten. Masterclasses sind Workshops, in denen NachwuchswissenschaftlerInnen ("Master") Einblicke in die Welt der Astroteilchenphysik oder Teilchenphysik geben und die TeilnehmerInnen echte Daten aus der Forschung analysieren. Dabei erleben die TeilnehmerInnen, wie man Spuren von Elektronen, Quarks & Co. mithilfe von Detektoren untersuchen kann und was man dabei über den Aufbau und die Entstehung des Universums herausfinden kann.

Viele Mitglieder des Netzwerks Teilchenwelt bieten Masterclasses an. Mehr Informationen zu Masterclasses des Netzwerks Teilchenwelt und den Standorten der Masterclasses findest du hier.

Das CosMO-Experiment (Cosmic Muon Observer). Bild: Netzwerk Teilchenwelt

Kosmische Teilchen sind hochenergetische Teilchen, die aus dem Weltall auf die Erde treffen. Für Astroteilchenphysik-Angebote im Netzwerk Teilchenwelt wurden das Kamiokannen-Experiment und das CosMO-Experiment weiterentwickelt, um geladene kosmische Teilchen zu untersuchen und das Unsichtbare selbst zu erforschen. Doch wie wird in der Astroteilchenphysik eigentlich experimentiert, wie werden kosmische Teilchen sichtbar gemacht?  Die Astroteilchenphysik ist die Schnittstelle von Astronomie, Kosmologie und Teilchenphysik. Sie versucht die Geheimnisse des Weltalls, dessen Entstehung und Entwicklung zu ergründen. Kosmische Teilchen sind dafür der Schlüssel, sie werden im Universum erzeugt und erreichen zum Beispiel die Erde. So wie ein Astronom Photonen im sichtbaren Licht beobachtet, untersuchen Astroteilchenphysiker Neutrinos, geladene Teilchen und hochenergetische Photonen, die nicht mit dem bloßen Auge sichtbar sind, um mehr über den Aufbau und die Prozesse bei der Sternentwicklung zu erfahren.

Viele Mitglieder des Netzwerks Teilchenwelt bieten das Kamiokannen- oder das CosMO-Experiment an. Mehr Informationen zu den Astroteilchenphysik-Angeboten des Netzwerks Teilchenwelt und den Standorten der Experimente findest du hier.

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video geht Karlheinz Meier auf den trickreichen Nachweis kosmischer Teilchen ein.

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