Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik Integrierte Darstellung von Kern- und Elementarteilchenphysik – mit neuen Erkenntnissen zur elektroschwachen Wechselwirkung, zum Higgs-Boson und zu Quark-Gluon-Plasmen Kern- und Elementarteilchenphysik wird an deutschen Universitäten im zweiten oder dritten Studienjahr im Rahmen der Kursvorlesung Experimentalphysik oder als Wahlpflichtfach angeboten. Inhaltlich im Mittelpunkt stehen die Eigenschaften und Wechselwirkungen der Bestandteile von Atomkernen wie Neutronen und Protonen und den noch kleineren Elementarteilchen wie Quarks und anderen Teilchen, die im sogenannten Standardmodell zusammengefasst sind. Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik beschreibt die Grundlagen der Kern- und Elementarteilchenphysik einheitlich, da viele Phänomene und Methoden in beiden Bereichen eine wichtige Rolle spielen. Der Inhalt umfasst alle wichtigen Themengebiete, von den theoretischen und konzeptionellen Grundlagen bis hin zu experimentellen Methoden dieser Disziplin. Mit 169 anspruchsvollen Aufgaben zur Lösung im Selbststudium oder unter Anleitung im Übungsbetrieb eignet sich das Lehrbuch für Studierende zur Prüfungsvorbereitung ebenso wie zur Vorbereitung auf Forschungsarbeiten dank zahlreicher Verweise auf Originalliteratur und die Entwicklungen an den neuesten Beschleunigern.

Table of Contents:
Vorwort xiii 1 Historische Anfänge 1 1.1 Aufgaben 3 2 Globale Eigenschaften von Kernen und Nukleonen 5 2.1 Massen, Bindung 5 2.2 Streuexperimente 11 2.2.1 Die Methode 11 2.2.2 Streuung an einer harten Kugel 12 2.2.3 Begriffe und Einheiten 13 2.3 Quantenmechanik der Streuung 16 2.3.1 Die Born’sche Näherung 19 2.3.2 Die Eikonal-Näherung 19 2.3.3 Die Rutherford-Streuung 20 2.4 Elastische Elektronenstreuung an Kernen 22 2.4.1 Formfaktoren und Mott-Streuung 22 2.4.2 Ladungsverteilung von Kernen 24 2.5 Streuung leichter Ionen an Kernen 28 2.5.1 Das Kastenpotential 28 2.5.2 Materieverteilung 30 2.6 Elektromagnetische Momente 32 2.6.1 Magnetische Momente 32 2.6.2 Elektrische Quadrupolmomente 36 2.7 Ladungsverteilung der Nukleonen 39 2.8 Partonen 44 2.9 Partialwellenzerlegung 45 2.9.1 Wirkungsquerschnitte der elastischen Streuung 45 2.9.2 Totaler Wirkungsquerschnitt 47 2.10 α-Zerfall 51 2.10.1 Gamow’sches Modell der Potentialdurchtunnelung 51 2.10.2 Spektroskopische Faktoren 57 2.10.3 Protonen-Radioaktivität 59 2.10.4 Cluster-Radioaktivität 59 2.11 Halbklassische Beschreibung 60 2.12 Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung 63 2.12.1 Das Deuteron 63 2.12.1.1 Einfache Beschreibung 63 2.12.1.2 Einfluss des Spins 66 2.12.1.3 Momente und Tensorkraft 67 2.12.2 Nukleon-Nukleon-Streuung 69 2.12.2.1 Das LS-Potential 69 2.12.2.2 Streuung bei kleinen Energien 70 2.12.3 Feld-theoretische Beschreibung der Wechselwirkungen 73 2.12.3.1 Das Bosonen-Austauschpotential 77 2.13 Aufgaben 80 3 Kernmodelle 85 3.1 Fermi-Gas-Modell 85 3.2 Tröpfchenmodell 88 3.3 Das Schalenmodell 94 3.3.1 Sphärische Potentiale 94 3.3.2 Spin-Bahn-Wechselwirkung 100 3.3.3 Restwechselwirkung 103 3.3.3.1 Die Paarwechselwirkung 104 3.3.3.2 Besetzungszahlen 107 3.4 Deformierte Kerne 109 3.5 Das optische Modell 111 3.6 Einteilchen-Anregungen 117 3.7 Kollektive Anregungen 122 3.7.1 Vibrationen 123 3.7.2 Rotierende Kerne 126 3.7.3 Transurane und Spaltung 131 3.8 Aufgaben 135 4 Ungebundene Systeme, Symmetrien 139 4.1 Resonanzen in Kernen 139 4.2 Riesenresonanzen 144 4.3 Erhaltungsgrößen 148 4.3.1 Raum-Zeitliche Verschiebungen 150 4.3.2 Rotation 151 4.3.3 Halbzahlige Spins 153 4.3.4 Die Parität P 153 4.3.5 Die Zeitumkehr T 155 4.3.6 Der Isospin 159 4.4 Eigenschaften der Feldteilchen 161 4.4.1 Die Entdeckung des Pions 161 4.4.2 Spin und Parität der Pionen 162 4.4.3 Isospin der Pionen 164 4.4.4 Spin und Parität des Photons 166 4.4.5 Schwellenproduktionen 167 4.5 Empirische Erhaltungssätze 170 4.5.1 Ladungserhaltung 170 4.5.2 Folgerungen aus der Existenz und aus dem β-Zerfall des Neutrons 172 4.6 Das π-Nukleon-System 173 4.6.1 Die π-Nukleon-Wechselwirkung 173 4.6.2 Nukleonenresonanzen 176 4.7 Resonanzen im π – π-System 179 4.7.1 Zweipionen-Systeme 179 4.7.2 Dreipionen-Systeme 181 4.8 Die Strangeness 184 4.9 η-Zerfälle und die C-Konjugation 187 4.10 Aufgaben 190 5 Quarkonia und die starke Wechselwirkung 195 5.1 Multipletts leichter Quarks 195 5.1.1 Anordnungen in Multipletts, Quarks 195 5.1.2 Quarkmassen 200 5.1.2.1 Hyperfeinwechselwirkung 201 5.1.2.2 Coulomb-Effekte 205 5.1.2.3 Magnetische Momente 206 5.1.3 Farbe 207 5.1.4 Quarklinien 208 5.2 Schwere Quarks 209 5.2.1 Die Entdeckung des Charms 209 5.2.2 Die Entdeckungen des Bottom- und des Top-Quarks 214 5.3 QCD, Jets und Gluonen 216 5.3.1 Quark-Quark-Potential 216 5.3.2 Die laufende Kopplungskonstante 221 5.3.3 Das Saitenmodell 223 5.3.4 Nichtresonante qq-Erzeugung ̄ 225 5.3.5 Gluonenabstrahlung 227 5.3.6 Die Gluon-Gluon-Wechselwirkung 231 5.4 Struktur der Nukleonen 232 5.4.1 Skaleninvarianz 232 5.4.2 Das Quark-Parton-Modell 237 5.4.3 Neutrinostreuung 240 5.4.4 Skalenbrechung und Impulsverteilung der Gluonen 241 5.5 Chirale Störungstheorie 242 5.5.1 Chiraler Grenzfall 242 5.5.2 Partiell erhaltener axialer Strom 244 5.5.3 ππ-Streuung 245 5.5.4 Offene Probleme 247 5.6 Streuung von Hadronen bei hohen Energien 249 5.7 Aufgaben 253 6 Die elektroschwache Wechselwirkung 257 6.1 Leptonen 257 6.1.1 Eigenschaften geladener Leptonen 257 6.1.1.1 Eigenschaften des Elektrons 257 6.1.1.2 Eigenschaften des Myons 259 6.1.1.3 Eigenschaften des Taus 266 6.1.2 Die Neutrino-Hypothese 267 6.2 Der nukleare β-Zerfall, Fermi’s Theorie 269 6.3 Verletzung der Paritätserhaltung, Helizität der Leptonen 275 6.3.1 Das Wu-Experiment 275 6.3.2 Der Zerfall des Λ-Hyperons 277 6.3.3 Die Helizität der Leptonen 279 6.4 Die V − A-Wechselwirkung 281 6.5 Test der V – A-Theorie 284 6.6 Der neutrale, schwache Strom 288 6.7 Die Feldbosonen der schwachen Wechselwirkung 289 6.8 Schwache Zerfälle von Teilchen mit Strangeness 293 6.9 Verallgemeinerung auf sechs Quarks 294 6.10 Die Vereinheitlichung der elektrischen und der schwachen Wechselwirkung 296 6.11 Eichinvarianz 296 6.11.1 Nicht-Abel’sche Eichtransformationen 296 6.11.1.1 Eichinvarianz in der QED 298 6.11.1.2 Isospin-Invarianz 298 6.11.1.3 Eichfelder der Gruppe SU(3) 299 6.11.2 Spontane Brechung der globalen Symmetrie: Goldstone-Mode 300 6.11.3 Spontane Brechung der lokalen Symmetrie: Higgs-Mode 302 6.11.4 Higgs-Mechanismus und Isospin 303 6.11.5 Tests des Standardmodells 308 6.11.5.1 Eigenschaften der Z Zerfälle 308 6.11.5.2 Test der QED 310 6.11.5.3 Zwei Fermionen Endzustand 313 6.11.6 Untersuchungen Zur Elektroschwachen Wechselwirkung Bei LEP II Energien 321 6.12 Oszillationen, CP-Verletzung 323 6.12.1 Das Zweizustandsproblem 323 6.12.2 Die neutralen Kaonen 326 6.12.3 Oszillation und Regeneration 328 6.12.4 Verletzung der CP-und der T-Invarianz 330 6.12.4.1 Zerfälle neutraler Kaonen 330 6.12.4.2 Verletzung der T-Invarianz 335 6.12.4.3 Verletzung der CP-Invarianz im Zerfall 335 6.12.4.4 CP-Verletzung im BB-System 336 6.12.5 CP-Verletzung im Standardmodell 338 6.13 Neutrinos 342 6.13.1 Sonnenneutrinos 345 6.13.2 Atmosphärische Neutrinos 349 6.13.3 Neutrinooszillationen 350 6.13.4 Suche nach dem Majorana Neutrino 356 6.14 Aufgaben 361 7 Suche nach dem Higgs Boson 367 7.1 Frühe Suchen 367 7.2 Blick durchs Schlüsselloch 367 7.3 Produktions- und Zerfallskanäle 371 7.4 Experimentelle Prerequisite 374 7.5 Die Entdeckung des Higgs Bosons 376 7.5.1 Spin und Parität des Higgs Bosons 378 7.6 Aufgaben 379 8 Kerne in exotischen Zuständen 381 8.1 Hyperkerne 381 8.2 Mesonische Atome 384 8.3 Schwerionenphysik bei mittleren Energien 387 8.3.1 Heiße Kerne 387 8.3.2 Weitere Thermometer 391 8.3.3 Thermalisierung 392 8.3.4 Die Zustandsgleichung 395 8.4 Hoch relativistische Schwerionenreaktionen 397 8.4.1 Hochenergetische Schwerionenbeschleuniger 398 8.4.2 Schwerionendetektoren 401 8.4.3 Kollektiver Strömung 403 8.4.4 Gittereichtheorie 411 8.4.5 Raum-Zeit Entwicklung des Quark-Gluon Plasmas 416 8.4.5.1 Messung der Korrelation 416 8.4.5.2 Der kritische Punkt 418 8.4.5.3 Die Zähigkeit des Quark-Gluon Plasmas 423 8.5 Nukleares Brennen, Neutronensterne 426 8.6 Aufgaben 430 Anhang 433 A Fourier-Transformationen 433 B Die Raum-Zeit 435 B.1 Vierervektoren 435 B.2 Lorentz-Transformationen 436 B.3 Kovariante Formulierung der Elektrodynamik 437 C Kinematik und Phasenraum 439 C.1 Kinematik 439 C.2 Zweikörper-Kinematik 442 C.3 Dreikörper-Kinematik 445 C.4 Methode der fehlenden Masse 450 C 5 Rapidität und Pseudorapidität 450 D Addition von drehimpulsen 453 E Die Dirac-Gleichung 455 E.1 Wellengleichungen 455 E.2 Lösungen der Dirac-Gleichung 459 F Matrixelemente aus Feynman-Graphen 461 F.1 Regeln der QED 461 F.2 Regeln der QCD 464 G Generatoren für die Gruppe SU(3) 465 H Quantenzahlen der Mesonen 469 I Teilchen im Standardmodell 471 Literaturverzeichnis 473 Index 485