Menü
Foren
Neue Beiträge
Foren durchsuchen
Aktuelles
Neue Beiträge
Neue Medien
Kommentare Medien
Letzte Aktivität
Galerie
Neue Medien
Neue Kommentare
Medien suchen
Mitglieder
Zurzeit aktive Besucher
Anmelden
Registrieren
Aktuelles
Suche
Suche
Nur Titel durchsuchen
Von:
Neue Beiträge
Foren durchsuchen
Menü
Anmelden
Registrieren
Install the app
Installieren
Foren
Erwachsenen-Themen
Wissenschaft + Geschichte
Universum
JavaScript ist deaktiviert. Für eine bessere Darstellung aktiviere bitte JavaScript in deinem Browser, bevor du fortfährst.
Du verwendest einen veralteten Browser. Es ist möglich, dass diese oder andere Websites nicht korrekt angezeigt werden.
Du solltest ein Upgrade durchführen oder einen
alternativen Browser
verwenden.
Auf Thema antworten
Nachricht
<blockquote data-quote="H2SO4" data-source="post: 91615" data-attributes="member: 2506"><p>* up- Quark (Antiup- Quark)</p><p> * down- Quark (Antidown- Quark)</p><p> * charm- Quark (Anticharm- Quark)</p><p> * strange- Quark (Antistrange- Quark)</p><p> * top- Quark (Antitop- Quark)</p><p> * bottom- Quark (Antibottom- Quark)</p><p></p><p>Leptonen wechselwirken nicht über eine Farbladung, kommen aber auch in 6 Geschmacksrichtungen vor:</p><p></p><p> * Elektron (Positron oder Antielektron)</p><p> * Myon (Antimyon)</p><p> * Tauon (Antitauon)</p><p> * Elektron- Neutrino (Antielektron- Neutrino)</p><p> * Myon- Neutrino (Antimyon- Neutrino)</p><p> * Tau- Neutrino (Antitau- Neutrino</p><p></p><p>Die Supersymmetrie sagt weitere Fermionen voraus, von denen bislang jedoch noch keines nachgewiesen werden konnte:</p><p></p><p> * Neutralino, ein Superpartnerteilchen diverser Teilchen des Standardmodells, ein heißer Kandidat für die Dunkle Materie</p><p> * Photino, ein Superpartner des Photons</p><p> * Gravitino (Spin 3/2), ein Superpartner des Gravitons (welches ein Boson ist)</p><p></p><p>Teilchen mit ganzzahligem Spin - Bosonen</p><p></p><p>Bosonen sind die Austauschteilchen der 4 Wechselwirkungen, dazu gehören:</p><p></p><p> * Photon (Spin 1) - es überträgt die elektromagnetische Kraft</p><p> * W+, W- und Z0- Bosonen (Spin 1) sind die Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung, man nennt sie auch Weakonen (abgeleitet von weak force = schwache Kraft). Das W+- Boson mit positiver elektrischer Ladung ist das Antiteilchen des W-- Bosons. Beides sind sehr schwere Teilchen mit extrem kurzer Lebensdauer. Im Gegensatz zum Z0- Boson, das elektrisch neutral ist und sein eigenes Antiteilchen, ist die Existenz der beiden W- Bosonen nachgewiesen.</p><p> * 8 Gluonen (Spin 1) übertragen die starke Wechselwirkung. Sie sind verantwortlich für den Zusammenhalt der Quarks, die ihrerseits die Bausteine der Hadronen (Baryonen (Protonen und Neutronen) und Mesonen) sind. Sie tragen Farbladungen (rot, grün, blau) und können daher mit anderen Teilchen mit Farbladungen wechselwirken, somit auch untereinander.</p><p> * Das Higgs- Boson, bislang nur theoretisch vom Standardmodell vorausgesagt, verleiht den Teilchen ihre Masse. Man hofft, es mit dem neuen LHC (Large Hadron Collider) am Cern nachweisen zu können. Es ist 100 bis 250- mal schwerer wie ein Proton, hat keine elektrische Ladung und den Spin 0.</p><p></p><p>Neuere Theorien postulieren weitere Bosonen, deren Existenzbeweis noch aussteht:</p><p></p><p> * Das Graviton ist Botenteilchen der Gravitation und spielt eine wichtige Rolle in der Quantengravitation. Es hat den Spin 2.</p><p> * Das Graviphoton ist ein weiterer Superpartner des Gravitons mit Spin 1.</p><p> * Als Superpartnerteilchen werden so genannte Sleptonen und Squarks vorausgesagt.</p><p> * 3 X- und 3 Anti- X- Bosonen sowie 3 Y- Bosonen mit ihren Antiteilchen werden von der GUT vorausgesagt. Man bezeichnet sie auch als Leptoquarks, weil sie in Leptonen und Quarks zerfallen. Zwar auch noch nicht nachgewiesen, ist ihre Existenz sehr wahrscheinlich, da sie am Ende der GUT- Ära in genannte Bestandteile zerfielen und so erst die uns bekannte Materie entstehen konnte. Insgesamt liegen damit 24 Bosonen vor uns, 12 des Standardmodells (1 Photon, 3 Weakonen und 8 Gluonen) und die 12 schweren Bosonen, die bis über tausendmal schwerer als ein Proton sein konnten.</p><p></p><p>Bisher haben wir nur elementare Teilchen betrachtet, die nicht weiter teilbar sind. In der Natur haben wir es jedoch häufig mit Teilchen zu tun, die aus anderen, eben den elementaren Bausteinen zusammengesetzt sind. Da ist zunächst die Gruppe der Hadronen, Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen und aus Quarks zusammengesetzt sind. Bestehen sie aus je einem Quark und einem Antiquark, sprechen wir von Mesonen, je 3 Quarks setzen sich zu einem Baryon zusammen (bzw. 3 Antiquarks zu einem Antibaryon):</p><p></p><p> * Mesonen haben den Spin 0 oder 1 und sind sehr kurzlebige Teilchen. Zu ihnen zählen z.B. das Pion, das Kaon oder das Eta- Meson.</p><p> * Baryonen haben einen halbzahligen Spin und gehören damit der Klasse der Fermionen an (alle Teilchen sind entweder ein Fermion oder ein Boson, da entweder halbzahliger oder ganzzahliger Spin). Fermionen unterliegen dem Pauli- Prinzip und zu ihnen zählen wir neben den Baryonen wie Proton und Neutron auch die Leptonen und Quarks.</p><p></p><p>Der "Teilchenzoo" beinhaltet heute noch weitere, exotisch anmutende Teilchen wie</p><p></p><p> * Tetraquarks, Partikel aus je 2 Quarks und Antiquarks, Pentaquarks bestehen aus zwei Up-, zwei Down- und einem Antistrange-Quark</p><p> * So genannte Glueballs sind zwar noch nicht nachgewiesen, ihre Existenz ist jedoch wahrscheinlich. Sie sind ausschließlich aus Gluonen zusammengesetzt, tragen eine Farbladung und unterliegen der starken Wechselwirkung</p><p> * Hybriden bestehen aus einem oder mehreren Quark- Antiquarkpaaren und einem oder mehreren Gluonen.</p><p></p><p>Insgesamt kennt man heute einige Hundert verschiedene Teilchen, doch wollen wir uns mit dieser Übersicht begnügen. Damit haben wir nun das Rüstzeug, um in unserer Geschichte des Universums fortzufahren:</p><p></p><p>Baryogenese</p><p></p><p>Unter der Baryogenese versteht man den kosmischen Zeitabschnitt, in welchem die baryonischen Teilchen entstanden. Er ist gekennzeichnet durch das Auftreten der schweren Bosonen und damit identisch mit der GUT- Ära.</p><p></p><p>Zerfall eines X- BosonsAm Ende der GUT- Ära, also als das Universum ein Alter von 10-36 <s> erreicht, können die schweren Bosonen und Antibosonen nicht länger existieren und beginnen in Quarks und Leptonen sowie deren Antiteilchen zu zerfallen. Nebenstehend ist skizziert, wie ein solches Boson beispielsweise in up- Quarks oder in Antidownquarks und Positronen zerfallen kann.</s></p><p><s></s></p><p><s>Wenn aber ein Materie- auf ein Antimaterieteilchen trifft, so zerstrahlen sich beide sofort zu hochenergetischen Photonen (Annihilation)! Das Universum war zu diesem Zeitpunkt noch sehr kompakt und die Teilchenkollisionen daher höchst häufig. Eigentlich sollte man meinen, dass Materie und Antimaterie jetzt exakt im selben Verhältnis auftraten. Zu unserem Glück bestand aber eine Asymmetrie in diesem Verhältnis, sonst würde das Universum heute keine Materie enthalten!</s></p><p><s></s></p><p><s>Wie aber ist das Missverhältnis von Materie zu Antimaterie zu erklären? Materieteilchen sollten exakt dieselben Wechselwirkungen zeigen wie ihre Antiteilchen, da beide gleich sind bis auf ihre spiegelverkehrten Eigenschaften.</s></p><p><s></s></p><p><s>Andrei Dmitrijewitsch Sacharow Der russische Physiker Andrei Dmitrijewitsch Sacharow (1921 bis 1989) hat dazu eine Erklärung gefunden. Wenn wir uns einmal in einem Spiegel betrachten und unseren Körper in Gedanken exakt in eine rechte und linke Hälfte spalten, so erscheinen uns beide Hälften auf den ersten Blick spiegelsymmetrisch zu sein. Erst bei genauerem Hinsehen erkennen wir kleine Unterschiede, z.B. Sommersprossen. Nun stellen wir uns naiv ein Teilchen als kleines kugelförmiges Gebilde vor. Es sollte noch mehr als unsere Körperhälften symmetrisch sein, und zwar in allen Richtungen. Das trifft in der Tat auch auf die meisten Teilchen und ihre Wechselwirkungen zu, man sagt die Parität (P) sei erhalten (Parität = Gleichwertigkeit). Eine Ausnahme macht dabei aber die schwache Wechselwirkung. Teilchen haben neben dieser räumlichen noch eine andere wichtige Eigenschaft, ihre Ladung. Auch hier gibt es eine Symmetrie, denn zu jedem Teilchen existiert ein entgegengesetzt geladenes Antiteilchen. In unsere Welt übersetzt würde das bedeuten, dass es neben Hühnern auch Antihühner gäbe. Seien wir froh, dass uns zum Frühstück keine Antieier serviert werden*! Diese als Ladungskonjugation bezeichnete Symmetrie (C, von engl. charge, Ladung) verwandelt also ein Teilchen in ein Antiteilchen unter Umkehr der Vorzeichen aller elektrischer Ladungen. Die schwache Wechselwirkung ist auch hier wieder für Ausnahmen zuständig.</s></p><p><s></s></p><p><s>* Man könnte zu diesem Zeitpunkt die Vorliebe des Autors für dieses gefiederte Vieh in jedweder Zustandform vermuten, womit man gar nicht so falsch liegt...</s></p><p><s></s></p><p><s>Sacharow fand nun heraus, dass im frühen Kosmos die CP- Symmetrie bei der Paarvernichtung verletzt gewesen sein muss, und zwar um einen Faktor von 6 × 10-10. Der oben angedeutete Zerfall der X- Bosonen (sowie der dort nicht aufgezeigten Antibosonen) muss also leicht asymmetrisch gewesen sein. Das bedeutet im obigen Beispiel, dass die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls in zwei up- Quarks etwas wahrscheinlicher war als derjenige in ein Positron und ein Antidown- Quark. Konkret haben die Teilchenphysiker eine solche CP- Verletzung bislang beim Zerfall so genannter K- Mesonen ("Kaonen") nachgewiesen. Sacharow (richtig geschrieben eigentlich Sakharov) stellte nun 3 Bedingungen auf, die erfüllt sein mussten, damit aus dem symmetrischen Anfangszustand des Universums eine Asymmetrie während der Baryogenese auftreten konnte:</s></p><p><s></s></p><p><s> * B- Verletzung</s></p><p><s> Hierunter versteht man eine Verletzung der Nettobaryonenzahl. Das bedeutet, dass zwischen Baryonen und Antibaryonen irgendwie ein Missverhältnis entstanden sein muss. Dieser offensichtliche Zustand ist im frühen Kosmos eingetreten, aber schwierig zu erklären. Denn bis heute wurde noch kein Prozess mit einer B- Verletzung beobachtet.</s></p><p><s> * CP- Verletzung</s></p><p><s> Das kombinierte Zusammenwirken von Parität und Ladungskonjugation verwandelt ein Teilchen in sein Antiteilchen. CP ist dabei symmetrisch, muss jedoch verletzt gewesen sein. Nehmen wir als Beispiel ein Teilchen X, welches in Protonen zerfällt. Dann muss auch sein Antiteilchen in Antiprotonen zerfallen, wobei die Anzahl beider Teilchensummen identisch sein sollte. Bei einer CP- Verletzung tritt Asymmetrie auf:</s></p><p><s></s></p><p><s> CP- Verletzung</s></p><p><s> * Verletzung des thermischen Gleichgewichts</s></p><p><s> So lange sich das Universum im thermischen Gleichgewicht befindet, muss statistisch gesehen die Anzahl der Teilchen mit derjenigen der Antiteilchen übereinstimmen. Das ist deshalb so, weil die einzige intrinsische Eigenschaft der Teilchen, von der die Gleichgewichtsverteilung abhängt, die Teilchenmasse ist. Es gibt nicht den kleinsten Hinweis darauf, dass wir glauben müssten, die Massen von Teilchen und ihren Antiteilchen seien unterschiedlich. Da sich aber ein Überschuss von Teilchen ergab, muss das thermische Gleichgewicht verletzt gewesen sein.</s></p><p><s></s></p><p><s>Dass eine CP- Verletzung auftreten kann, haben wir schon weiter oben am Beispiel der Kaonen gesehen. Sie allein ist jedoch nicht ausreichend, den Materieüberschuss zu erklären, zuwenigst muss auch eine B- Verletzung stattgefunden haben.</s></p><p><s></s></p><p><s>Nach der Abspaltung der starken Wechselwirkung blieben noch die elektromagnetische Kraft und die schwache Wechselwirkung zur elektroschwachen Kraft vereinigt übrig. In ihr könnte die Ursache zur Erschaffung unserer Materie liegen. Denn diese Kraft erlaubte Wechselwirkungen zwischen Quarks, also Baryonen, und Leptonen. Solche Wechselwirkungen bezeichnet man als Sphaleron- Prozess bzw. -Übergang. Botenteilchen dieser Wechselwirkungen waren die bereits oben erwähnten X- Bosonen. Der Sphaleron- Prozess ist ähnlich dem Quantentunneln von Teilchen.</s></p><p><s></s></p><p><s>TunneleffektDer Tunneleffekt spielt bei der Fusion von Wasserstoff in der Sonne eine bedeutende Rolle. Normalerweise würden die gleichnamigen, positiven Ladungen der Protonen sich gegenseitig abstoßen. Die Teilchen stehen somit vor einer unüberwindlichen Energiebarriere. Die Natur hat in der Quantenwelt jedoch ein Hintertürchen eingebaut: Ein Teilchen kann hin und wieder diesen "Energieberg" einfach wie durch einen Tunnel überwinden. Nur hierdurch ist es den Protonen möglich, miteinander zu verschmelzen.</s></p><p><s>Die Wechselwirkung der Baryonen mit den Leptonen stand vor einem ähnlichen Problem. Sie war nur durch den Tunneleffekt möglich, der normalerweise so extrem gering ist, dass wir ihn nicht in der Natur beobachten. Im frühen Kosmos jedoch war soviel an thermischer Energie vorhanden, dass der Übergang stattfinden konnte. Möglicherweise war die Temperatur sogar so hoch, dass die Energiebarriere völlig verschwand. Hierbei trat dann eine B- Verletzung (sowie eine L- Verletzung, Verletzung der Leptonenzahl L) auf. Das Sphaleron zeigt uns damit, dass tatsächlich eine Verletzung der Baryonenzahl und der CP- Symmetrie gegeben war.</s></p><p><s></s></p><p><s>Es gibt auch Hinweise darauf, dass gemäß der elektroschwachen Theorie eine Verletzung des thermischen Gleichgewichts möglich war. Wenn man in einen Topf mit kochendem Wasser sieht, erkennt man leicht, dass sich auf dem Boden Blasen von Wassergas bilden. Ähnliches könnte sich damals zugetragen haben, nur unter umgekehrten Bedingungen. "Blasen" könnten sich im abkühlenden All entwickelt haben. Innerhalb dieser Blasen haben Teilchen Masse, die uns gewohnte Physik ist gültig und die Sphaleron- Prozesse sorgen für die Asymmetrie der Baryonenzahl. Sie verlaufen hier jedoch extrem langsam und spielen kaum eine Rolle.</s></p><p><s></s></p><p><s>Außerhalb jedoch herrscht ein wahrhaft mysteriöser Zustand - die Teilchen sind masselos. Die Blasen dehnen sich aber aus und verdrängen alles, was außerhalb ist. Dort fehlt aber die Energiebarriere der Sphaleron- Prozesse, weshalb hier eine überaus starke Verletzung der Baryonenzahl auftritt. Bei andauernder Expansion der Blasen müssen die Teilchen durch die Blasenwand ins Blaseninnere diffundieren und erzeugen hier die endgültige Verletzung der Baryonenzahl. </s></p><p><s></s></p><p><s>Quark- Ära</s></p><p><s></s></p><p><s>Im Alter von 10-33 <s> ist das Universum auf 1025 [K] abgekühlt, die letzten der schweren X- und Y- Bosonen zerfallen und können nicht mehr neu aus den Photonen gebildet werden. Aus der Strahlung können nun aber Quarks, die elementarsten Bausteine der Materie, sowie ihre Antiteilchen, die Antiquarks auskondensieren. Daneben existieren bereits die uns schon bekannten Leptonen wie z.B. die Elektronen und Neutrinos. Der Kosmos ist jedoch noch so heiß, dass diese Teilchen ständig und nach kürzester Zeit miteinander kollidieren und deshalb noch nicht die aus den Quarks bestehenden Neutronen und Protonen bilden können. Die uns geläufige Materie kann also noch nicht existieren, sehr wohl aber ein so genanntes Quark- Gluonen- Plasma. Gluonen sind die "Kleber-" Teilchen (glue, engl. "Klebstoff"), welche die Quarks normalerweise zu Protonen und Neutronen zusammenkitten. In diesem Plasma liegen jedoch all diese Teilchen frei beweglich und ungebunden nebeneinander vor. Bereits im Jahr 2000 konnte am Schweizer CERN für extrem kurze Zeit ein solches Quark- Gluonen- Plasma erzeugt und indirekt nachgewiesen werden.</s></s></p><p><s><s></s></s></p><p><s><s>Als das Universum ein Alter von 10-12 Sekunden erreicht hat, ist die Temperatur auf 1016 [K] abgesunken. Nun spaltet sich auch die noch bis hierhin gemäß der GUT übrig gebliebene elektroschwache Kraft in die schwache Wechselwirkung sowie die elektromagnetische Kraft auf. Alle 4 Naturkräfte sind damit voneinander unterscheidbar geworden und von nun an für immer getrennt. Unser Kosmos hat jetzt schon einige einschneidende Ereignisse hinter sich gebracht und tritt anschließend in ein neues Zeitalter ein.</s></s></p><p><s><s></s></s></p><p><s><s>Hadronen- Ära</s></s></p><p><s><s></s></s></p><p><s><s>Im Alter von 10-6 Sekunden beträgt die Temperatur noch 1013 [K]. Die Quarks können jetzt nicht mehr als freie Teilchen umherschwirren, sondern setzen sich zu den Hadronen zusammen und das Quark- Gluonenplasma verschwindet. Je weiter sich der Kosmos nun mit zunehmender Expansion abkühlt, umso mehr sterben die anfangs gebildeten, schweren Hadronen aus und nur Protonen und Neutronen sowie deren Antiteilchen können überleben.</s></s></p><p><s><s></s></s></p><p><s><s>TeilchenerzeugungDie Photonen im frühen All waren so energiereich, dass aus ihnen Teilchenpaare entstehen konnten. Hier ist als Beispiel die Bildung eines Proton/Antiprotonpaares skizziert, welches sich alsbald wieder annihiliert und dabei erneut Photonen freisetzt. Man muss sich dabei wieder vor Augen halten, dass Photonen nichts anderes sind als kleinste Energiequanten oder Energiepakete. Nach Einsteins</s></s></p><p><s><s>E = mc2 kann unter geeigneten Bedingungen aus Energie Materie entstehen und umgekehrt.</s></s></p><p><s><s></s></s></p><p><s><s>In den heutigen Teilchenbeschleunigern können diese Energien ebenfalls erzeugt werden, wobei spontan Teilchen entstehen. Es ist uns also möglich, die Zustände des frühen Kosmos bis zu dieser Zeit recht genau nachzuvollziehen.</s></s></p><p><s><s>Die gebildeten Teilchenpaare vernichten sich ständig gegenseitig in derselben Rate, mit der sie erschaffen werden, denn es sind ja Materie- Antimateriepaare.</s></s></p><p><s><s></s></s></p><p><s><s>Aufgrund der bereits weiter oben genannten Asymmetrie, nach der die Materie um den Faktor 1,000 000 001 stärker vertreten ist als die Antimaterie, vernichten sich die Hadronen weitgehend. Dieser geringe Restanteil von Materie genügte jedoch, um unseren heutigen Kosmos mit allem was darin enthalten ist entstehen zu lassen, damit auch uns Menschen.</s></s></p><p><s><s></s></s></p><p><s><s>Leptonen- und Strahlungsära</s></s></p></blockquote><p></p>
[QUOTE="H2SO4, post: 91615, member: 2506"] * up- Quark (Antiup- Quark) * down- Quark (Antidown- Quark) * charm- Quark (Anticharm- Quark) * strange- Quark (Antistrange- Quark) * top- Quark (Antitop- Quark) * bottom- Quark (Antibottom- Quark) Leptonen wechselwirken nicht über eine Farbladung, kommen aber auch in 6 Geschmacksrichtungen vor: * Elektron (Positron oder Antielektron) * Myon (Antimyon) * Tauon (Antitauon) * Elektron- Neutrino (Antielektron- Neutrino) * Myon- Neutrino (Antimyon- Neutrino) * Tau- Neutrino (Antitau- Neutrino Die Supersymmetrie sagt weitere Fermionen voraus, von denen bislang jedoch noch keines nachgewiesen werden konnte: * Neutralino, ein Superpartnerteilchen diverser Teilchen des Standardmodells, ein heißer Kandidat für die Dunkle Materie * Photino, ein Superpartner des Photons * Gravitino (Spin 3/2), ein Superpartner des Gravitons (welches ein Boson ist) Teilchen mit ganzzahligem Spin - Bosonen Bosonen sind die Austauschteilchen der 4 Wechselwirkungen, dazu gehören: * Photon (Spin 1) - es überträgt die elektromagnetische Kraft * W+, W- und Z0- Bosonen (Spin 1) sind die Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung, man nennt sie auch Weakonen (abgeleitet von weak force = schwache Kraft). Das W+- Boson mit positiver elektrischer Ladung ist das Antiteilchen des W-- Bosons. Beides sind sehr schwere Teilchen mit extrem kurzer Lebensdauer. Im Gegensatz zum Z0- Boson, das elektrisch neutral ist und sein eigenes Antiteilchen, ist die Existenz der beiden W- Bosonen nachgewiesen. * 8 Gluonen (Spin 1) übertragen die starke Wechselwirkung. Sie sind verantwortlich für den Zusammenhalt der Quarks, die ihrerseits die Bausteine der Hadronen (Baryonen (Protonen und Neutronen) und Mesonen) sind. Sie tragen Farbladungen (rot, grün, blau) und können daher mit anderen Teilchen mit Farbladungen wechselwirken, somit auch untereinander. * Das Higgs- Boson, bislang nur theoretisch vom Standardmodell vorausgesagt, verleiht den Teilchen ihre Masse. Man hofft, es mit dem neuen LHC (Large Hadron Collider) am Cern nachweisen zu können. Es ist 100 bis 250- mal schwerer wie ein Proton, hat keine elektrische Ladung und den Spin 0. Neuere Theorien postulieren weitere Bosonen, deren Existenzbeweis noch aussteht: * Das Graviton ist Botenteilchen der Gravitation und spielt eine wichtige Rolle in der Quantengravitation. Es hat den Spin 2. * Das Graviphoton ist ein weiterer Superpartner des Gravitons mit Spin 1. * Als Superpartnerteilchen werden so genannte Sleptonen und Squarks vorausgesagt. * 3 X- und 3 Anti- X- Bosonen sowie 3 Y- Bosonen mit ihren Antiteilchen werden von der GUT vorausgesagt. Man bezeichnet sie auch als Leptoquarks, weil sie in Leptonen und Quarks zerfallen. Zwar auch noch nicht nachgewiesen, ist ihre Existenz sehr wahrscheinlich, da sie am Ende der GUT- Ära in genannte Bestandteile zerfielen und so erst die uns bekannte Materie entstehen konnte. Insgesamt liegen damit 24 Bosonen vor uns, 12 des Standardmodells (1 Photon, 3 Weakonen und 8 Gluonen) und die 12 schweren Bosonen, die bis über tausendmal schwerer als ein Proton sein konnten. Bisher haben wir nur elementare Teilchen betrachtet, die nicht weiter teilbar sind. In der Natur haben wir es jedoch häufig mit Teilchen zu tun, die aus anderen, eben den elementaren Bausteinen zusammengesetzt sind. Da ist zunächst die Gruppe der Hadronen, Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen und aus Quarks zusammengesetzt sind. Bestehen sie aus je einem Quark und einem Antiquark, sprechen wir von Mesonen, je 3 Quarks setzen sich zu einem Baryon zusammen (bzw. 3 Antiquarks zu einem Antibaryon): * Mesonen haben den Spin 0 oder 1 und sind sehr kurzlebige Teilchen. Zu ihnen zählen z.B. das Pion, das Kaon oder das Eta- Meson. * Baryonen haben einen halbzahligen Spin und gehören damit der Klasse der Fermionen an (alle Teilchen sind entweder ein Fermion oder ein Boson, da entweder halbzahliger oder ganzzahliger Spin). Fermionen unterliegen dem Pauli- Prinzip und zu ihnen zählen wir neben den Baryonen wie Proton und Neutron auch die Leptonen und Quarks. Der "Teilchenzoo" beinhaltet heute noch weitere, exotisch anmutende Teilchen wie * Tetraquarks, Partikel aus je 2 Quarks und Antiquarks, Pentaquarks bestehen aus zwei Up-, zwei Down- und einem Antistrange-Quark * So genannte Glueballs sind zwar noch nicht nachgewiesen, ihre Existenz ist jedoch wahrscheinlich. Sie sind ausschließlich aus Gluonen zusammengesetzt, tragen eine Farbladung und unterliegen der starken Wechselwirkung * Hybriden bestehen aus einem oder mehreren Quark- Antiquarkpaaren und einem oder mehreren Gluonen. Insgesamt kennt man heute einige Hundert verschiedene Teilchen, doch wollen wir uns mit dieser Übersicht begnügen. Damit haben wir nun das Rüstzeug, um in unserer Geschichte des Universums fortzufahren: Baryogenese Unter der Baryogenese versteht man den kosmischen Zeitabschnitt, in welchem die baryonischen Teilchen entstanden. Er ist gekennzeichnet durch das Auftreten der schweren Bosonen und damit identisch mit der GUT- Ära. Zerfall eines X- BosonsAm Ende der GUT- Ära, also als das Universum ein Alter von 10-36 [s] erreicht, können die schweren Bosonen und Antibosonen nicht länger existieren und beginnen in Quarks und Leptonen sowie deren Antiteilchen zu zerfallen. Nebenstehend ist skizziert, wie ein solches Boson beispielsweise in up- Quarks oder in Antidownquarks und Positronen zerfallen kann. Wenn aber ein Materie- auf ein Antimaterieteilchen trifft, so zerstrahlen sich beide sofort zu hochenergetischen Photonen (Annihilation)! Das Universum war zu diesem Zeitpunkt noch sehr kompakt und die Teilchenkollisionen daher höchst häufig. Eigentlich sollte man meinen, dass Materie und Antimaterie jetzt exakt im selben Verhältnis auftraten. Zu unserem Glück bestand aber eine Asymmetrie in diesem Verhältnis, sonst würde das Universum heute keine Materie enthalten! Wie aber ist das Missverhältnis von Materie zu Antimaterie zu erklären? Materieteilchen sollten exakt dieselben Wechselwirkungen zeigen wie ihre Antiteilchen, da beide gleich sind bis auf ihre spiegelverkehrten Eigenschaften. Andrei Dmitrijewitsch Sacharow Der russische Physiker Andrei Dmitrijewitsch Sacharow (1921 bis 1989) hat dazu eine Erklärung gefunden. Wenn wir uns einmal in einem Spiegel betrachten und unseren Körper in Gedanken exakt in eine rechte und linke Hälfte spalten, so erscheinen uns beide Hälften auf den ersten Blick spiegelsymmetrisch zu sein. Erst bei genauerem Hinsehen erkennen wir kleine Unterschiede, z.B. Sommersprossen. Nun stellen wir uns naiv ein Teilchen als kleines kugelförmiges Gebilde vor. Es sollte noch mehr als unsere Körperhälften symmetrisch sein, und zwar in allen Richtungen. Das trifft in der Tat auch auf die meisten Teilchen und ihre Wechselwirkungen zu, man sagt die Parität (P) sei erhalten (Parität = Gleichwertigkeit). Eine Ausnahme macht dabei aber die schwache Wechselwirkung. Teilchen haben neben dieser räumlichen noch eine andere wichtige Eigenschaft, ihre Ladung. Auch hier gibt es eine Symmetrie, denn zu jedem Teilchen existiert ein entgegengesetzt geladenes Antiteilchen. In unsere Welt übersetzt würde das bedeuten, dass es neben Hühnern auch Antihühner gäbe. Seien wir froh, dass uns zum Frühstück keine Antieier serviert werden*! Diese als Ladungskonjugation bezeichnete Symmetrie (C, von engl. charge, Ladung) verwandelt also ein Teilchen in ein Antiteilchen unter Umkehr der Vorzeichen aller elektrischer Ladungen. Die schwache Wechselwirkung ist auch hier wieder für Ausnahmen zuständig. * Man könnte zu diesem Zeitpunkt die Vorliebe des Autors für dieses gefiederte Vieh in jedweder Zustandform vermuten, womit man gar nicht so falsch liegt... Sacharow fand nun heraus, dass im frühen Kosmos die CP- Symmetrie bei der Paarvernichtung verletzt gewesen sein muss, und zwar um einen Faktor von 6 × 10-10. Der oben angedeutete Zerfall der X- Bosonen (sowie der dort nicht aufgezeigten Antibosonen) muss also leicht asymmetrisch gewesen sein. Das bedeutet im obigen Beispiel, dass die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls in zwei up- Quarks etwas wahrscheinlicher war als derjenige in ein Positron und ein Antidown- Quark. Konkret haben die Teilchenphysiker eine solche CP- Verletzung bislang beim Zerfall so genannter K- Mesonen ("Kaonen") nachgewiesen. Sacharow (richtig geschrieben eigentlich Sakharov) stellte nun 3 Bedingungen auf, die erfüllt sein mussten, damit aus dem symmetrischen Anfangszustand des Universums eine Asymmetrie während der Baryogenese auftreten konnte: * B- Verletzung Hierunter versteht man eine Verletzung der Nettobaryonenzahl. Das bedeutet, dass zwischen Baryonen und Antibaryonen irgendwie ein Missverhältnis entstanden sein muss. Dieser offensichtliche Zustand ist im frühen Kosmos eingetreten, aber schwierig zu erklären. Denn bis heute wurde noch kein Prozess mit einer B- Verletzung beobachtet. * CP- Verletzung Das kombinierte Zusammenwirken von Parität und Ladungskonjugation verwandelt ein Teilchen in sein Antiteilchen. CP ist dabei symmetrisch, muss jedoch verletzt gewesen sein. Nehmen wir als Beispiel ein Teilchen X, welches in Protonen zerfällt. Dann muss auch sein Antiteilchen in Antiprotonen zerfallen, wobei die Anzahl beider Teilchensummen identisch sein sollte. Bei einer CP- Verletzung tritt Asymmetrie auf: CP- Verletzung * Verletzung des thermischen Gleichgewichts So lange sich das Universum im thermischen Gleichgewicht befindet, muss statistisch gesehen die Anzahl der Teilchen mit derjenigen der Antiteilchen übereinstimmen. Das ist deshalb so, weil die einzige intrinsische Eigenschaft der Teilchen, von der die Gleichgewichtsverteilung abhängt, die Teilchenmasse ist. Es gibt nicht den kleinsten Hinweis darauf, dass wir glauben müssten, die Massen von Teilchen und ihren Antiteilchen seien unterschiedlich. Da sich aber ein Überschuss von Teilchen ergab, muss das thermische Gleichgewicht verletzt gewesen sein. Dass eine CP- Verletzung auftreten kann, haben wir schon weiter oben am Beispiel der Kaonen gesehen. Sie allein ist jedoch nicht ausreichend, den Materieüberschuss zu erklären, zuwenigst muss auch eine B- Verletzung stattgefunden haben. Nach der Abspaltung der starken Wechselwirkung blieben noch die elektromagnetische Kraft und die schwache Wechselwirkung zur elektroschwachen Kraft vereinigt übrig. In ihr könnte die Ursache zur Erschaffung unserer Materie liegen. Denn diese Kraft erlaubte Wechselwirkungen zwischen Quarks, also Baryonen, und Leptonen. Solche Wechselwirkungen bezeichnet man als Sphaleron- Prozess bzw. -Übergang. Botenteilchen dieser Wechselwirkungen waren die bereits oben erwähnten X- Bosonen. Der Sphaleron- Prozess ist ähnlich dem Quantentunneln von Teilchen. TunneleffektDer Tunneleffekt spielt bei der Fusion von Wasserstoff in der Sonne eine bedeutende Rolle. Normalerweise würden die gleichnamigen, positiven Ladungen der Protonen sich gegenseitig abstoßen. Die Teilchen stehen somit vor einer unüberwindlichen Energiebarriere. Die Natur hat in der Quantenwelt jedoch ein Hintertürchen eingebaut: Ein Teilchen kann hin und wieder diesen "Energieberg" einfach wie durch einen Tunnel überwinden. Nur hierdurch ist es den Protonen möglich, miteinander zu verschmelzen. Die Wechselwirkung der Baryonen mit den Leptonen stand vor einem ähnlichen Problem. Sie war nur durch den Tunneleffekt möglich, der normalerweise so extrem gering ist, dass wir ihn nicht in der Natur beobachten. Im frühen Kosmos jedoch war soviel an thermischer Energie vorhanden, dass der Übergang stattfinden konnte. Möglicherweise war die Temperatur sogar so hoch, dass die Energiebarriere völlig verschwand. Hierbei trat dann eine B- Verletzung (sowie eine L- Verletzung, Verletzung der Leptonenzahl L) auf. Das Sphaleron zeigt uns damit, dass tatsächlich eine Verletzung der Baryonenzahl und der CP- Symmetrie gegeben war. Es gibt auch Hinweise darauf, dass gemäß der elektroschwachen Theorie eine Verletzung des thermischen Gleichgewichts möglich war. Wenn man in einen Topf mit kochendem Wasser sieht, erkennt man leicht, dass sich auf dem Boden Blasen von Wassergas bilden. Ähnliches könnte sich damals zugetragen haben, nur unter umgekehrten Bedingungen. "Blasen" könnten sich im abkühlenden All entwickelt haben. Innerhalb dieser Blasen haben Teilchen Masse, die uns gewohnte Physik ist gültig und die Sphaleron- Prozesse sorgen für die Asymmetrie der Baryonenzahl. Sie verlaufen hier jedoch extrem langsam und spielen kaum eine Rolle. Außerhalb jedoch herrscht ein wahrhaft mysteriöser Zustand - die Teilchen sind masselos. Die Blasen dehnen sich aber aus und verdrängen alles, was außerhalb ist. Dort fehlt aber die Energiebarriere der Sphaleron- Prozesse, weshalb hier eine überaus starke Verletzung der Baryonenzahl auftritt. Bei andauernder Expansion der Blasen müssen die Teilchen durch die Blasenwand ins Blaseninnere diffundieren und erzeugen hier die endgültige Verletzung der Baryonenzahl. Quark- Ära Im Alter von 10-33 [s] ist das Universum auf 1025 [K] abgekühlt, die letzten der schweren X- und Y- Bosonen zerfallen und können nicht mehr neu aus den Photonen gebildet werden. Aus der Strahlung können nun aber Quarks, die elementarsten Bausteine der Materie, sowie ihre Antiteilchen, die Antiquarks auskondensieren. Daneben existieren bereits die uns schon bekannten Leptonen wie z.B. die Elektronen und Neutrinos. Der Kosmos ist jedoch noch so heiß, dass diese Teilchen ständig und nach kürzester Zeit miteinander kollidieren und deshalb noch nicht die aus den Quarks bestehenden Neutronen und Protonen bilden können. Die uns geläufige Materie kann also noch nicht existieren, sehr wohl aber ein so genanntes Quark- Gluonen- Plasma. Gluonen sind die "Kleber-" Teilchen (glue, engl. "Klebstoff"), welche die Quarks normalerweise zu Protonen und Neutronen zusammenkitten. In diesem Plasma liegen jedoch all diese Teilchen frei beweglich und ungebunden nebeneinander vor. Bereits im Jahr 2000 konnte am Schweizer CERN für extrem kurze Zeit ein solches Quark- Gluonen- Plasma erzeugt und indirekt nachgewiesen werden. Als das Universum ein Alter von 10-12 Sekunden erreicht hat, ist die Temperatur auf 1016 [K] abgesunken. Nun spaltet sich auch die noch bis hierhin gemäß der GUT übrig gebliebene elektroschwache Kraft in die schwache Wechselwirkung sowie die elektromagnetische Kraft auf. Alle 4 Naturkräfte sind damit voneinander unterscheidbar geworden und von nun an für immer getrennt. Unser Kosmos hat jetzt schon einige einschneidende Ereignisse hinter sich gebracht und tritt anschließend in ein neues Zeitalter ein. Hadronen- Ära Im Alter von 10-6 Sekunden beträgt die Temperatur noch 1013 [K]. Die Quarks können jetzt nicht mehr als freie Teilchen umherschwirren, sondern setzen sich zu den Hadronen zusammen und das Quark- Gluonenplasma verschwindet. Je weiter sich der Kosmos nun mit zunehmender Expansion abkühlt, umso mehr sterben die anfangs gebildeten, schweren Hadronen aus und nur Protonen und Neutronen sowie deren Antiteilchen können überleben. TeilchenerzeugungDie Photonen im frühen All waren so energiereich, dass aus ihnen Teilchenpaare entstehen konnten. Hier ist als Beispiel die Bildung eines Proton/Antiprotonpaares skizziert, welches sich alsbald wieder annihiliert und dabei erneut Photonen freisetzt. Man muss sich dabei wieder vor Augen halten, dass Photonen nichts anderes sind als kleinste Energiequanten oder Energiepakete. Nach Einsteins E = mc2 kann unter geeigneten Bedingungen aus Energie Materie entstehen und umgekehrt. In den heutigen Teilchenbeschleunigern können diese Energien ebenfalls erzeugt werden, wobei spontan Teilchen entstehen. Es ist uns also möglich, die Zustände des frühen Kosmos bis zu dieser Zeit recht genau nachzuvollziehen. Die gebildeten Teilchenpaare vernichten sich ständig gegenseitig in derselben Rate, mit der sie erschaffen werden, denn es sind ja Materie- Antimateriepaare. Aufgrund der bereits weiter oben genannten Asymmetrie, nach der die Materie um den Faktor 1,000 000 001 stärker vertreten ist als die Antimaterie, vernichten sich die Hadronen weitgehend. Dieser geringe Restanteil von Materie genügte jedoch, um unseren heutigen Kosmos mit allem was darin enthalten ist entstehen zu lassen, damit auch uns Menschen. Leptonen- und Strahlungsära[/s][/s] [/QUOTE]
Zitate einfügen…
Name
Authentifizierung
Antworten
Foren
Erwachsenen-Themen
Wissenschaft + Geschichte
Universum
Oben