Kern- und Teilchenphysik

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1 Kern- und Teilchenphysik SS2012 Johannes Blümer KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Moderne Experimentalphysik III Einführung in die Kernphysik, Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik Veranstaltungsorte und Zeiten Vorlesung: Di+Do 11:30-13:00 Lehmann HS (022) Übungen/Tutorien: Do von 14:00 bis 19:00 Klausurtermin: 3. August 2012 im Gerthsen HS Inhalte und Themen: Vorlesung Übungen Literaturempfehlungen: siehe Liste hier Scheinkriterien: Basierend auf Übungen und Klausur -Verteiler: für Studenten für Tutoren weitere Informationen für Tutoren 2 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

3 Übungsbetrieb Die Übungen zur Modernen Experimentalphysik III (Kerne & Teilchen) werden von Ralf Ulrich organisiert und finden donnerstags nachmittags statt. Es werden jeweils donnerstags die Übungsblätter für die darauf folgende Woche ausgegeben. Die Lösungen zu den Aufgaben werden von den Tutoren mit Punkten bewertet. Jedes Blatt enthät insgesamt 10 Punkte. Die Übungen sind erfolgreich bestanden, wenn während des Semesters mindestens 50% aller Punkte erreicht wurden. Die Lösungen zu den bearbeiteten Aufgaben müssen dienstags abgegeben werden. In den Übungen sollten Sie in der Lage sein, (Teil-)Aufgaben an der Tafel eigenständig vorzurechnen. Falls Sie aus triftigen Gründen an der Klausur nicht teilnehmen können, wenden Sie sich bitte an Herrn Prof. Blümer, um eventuell einen mündlichen Prüfungstermin zu erhalten. Neben dieser Homepage haben wir eine -Liste als Newsletter eingerichtet, in der Sie sich jederzeit ein- und austragen können: Die Einteilung der Übungsgruppen findet nach der ersten Vorlesung statt, und wird dann auch auf dieser Internetseite veröffentlicht. Falls Sie sich eingetragen haben, aber nicht in der Liste auftauchen, kontaktieren Sie bitte Herrn Ulrich über den Verteiler durch "kontaktiere Inhaber". Falls Sie sich nicht eingetragen haben oder nicht eintragen konnten, kontaktieren Sie bitte eine(n) der Tutor(inn)en direkt während des jeweiligen Termins. 3 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

4 Inhalt 1) Di 17. April Übersicht, Notation, Kinematik Inhaltsverzeichnis, Übungsbetrieb, Literatur, Notationen, Tour de Force, relativistische Kinematik 2) Do 19. April Beschleuniger HV-Erzeugung, stat. Generatoren, Linearbeschleuniger, zykl. Beschleuniger, Kollider, kosm. Beschleuniger 3) Di 24. April Detektoren 1 Wechselwirkung von Teilchen und Strahlen mit Materie; experimentelle Methoden 4) Do 26. April Detektoren 2 Detektorbaukasten; Grossdetektoren; andere Anwendungen - Di 1. Mai Tag der Arbeit 5) Do 3. Mai Atomkerne 1 Streuversuche, Entdeckung der Atomkerne, Rutherford; Eigenschaften stabiler Kerne 6) Di 8. Mai Atomkerne 2 Masse, Bindungsenergie, Form von Kernen; Kernkräfte und Kernmodelle 7) Do 10. Mai Kernreaktionen 1 Spontane Zerfälle (Alpha, Beta, Gamma-Zerfälle); 8) Di 15. Mai Kernreaktionen 2 induzierte Kernspaltung, Kerntechnik; Kernfusion - Do 17. Mai Himmelfahrt 9) Di 22. Mai Kernphysik im Universum Elementsynthese im Urknall; ~ in Sternen, Sternentwicklung, Supernovae; Kosm. Strahlung 10) Do 24. Mai Nukleonen 1 Elastische Streuung, Formfaktoren, Ladungsradien 11) Di 29. Mai Nukleonen 2 Tiefinelastische Streuung, angeregte Zustände von Nukleonen, Strukturfunktionen, Partonen, Quarks 12) Do 31. Mai Quarks, Gluonen, Hadronen Quarkstruktur der Nukleonen, Quarks in Hadronen, qg-ww, Skalenverhalten 13) Di 5. Juni e+e- Kollisionen 4 KT2012 Johannes Teilchenproduktion, Blümer Leptonpaare, Resonanzen, nicht-resonante Hadronproduktion, Gluonen IKP in KCETA

5 10) Do 24. Mai Nukleonen 1 Elastische Streuung, Formfaktoren, Ladungsradien Inhalt 11) Di 29. Mai Nukleonen 2 Tiefinelastische Streuung, angeregte Zustände von Nukleonen, Strukturfunktionen, Partonen, Quarks 12) Do 31. Mai Quarks, Gluonen, Hadronen Quarkstruktur der Nukleonen, Quarks in Hadronen, qg-ww, Skalenverhalten 13) Di 5. Juni e+e- Kollisionen Teilchenproduktion, Leptonpaare, Resonanzen, nicht-resonante Hadronproduktion, Gluonen - Do 7. Juni Fronleichnam 14) Di 12. Juni Symmetrien und Erhaltungssätze Kontinuierliche und diskrete Symmetrien; C, P, CP, CPT 15) Do 14. Juni Schwache Wechselwirkung Neutronen, Betazerfall, Paritätsverletzung, V-A-Wechselwirkung 16) Di 19. Juni Neutrale Kaonen Kaonen, CP-Verletzung, CKM-Matrix 17) Do 21. Juni Neutrinos als Sonde Geladene und neutrale Ströme, Neutrino-Quark-Streuung 18) Di 26. Juni W und Z Bosonen Entdeckung und Eigenschaften, Bedeutung der Präzisionsmessungen 19) Do 28. Juni Das Standardmodell 20) Di 3. Juli Neutrino-Oszillationen Neutrinos aus der Sonne, aus Beschleunigern und Reaktoren 21) Do 5. Juli Neutrinomasse Neutrinomasse im Standardmodell, kosmologische Bedeutung; Betazerfall (KATRIN etc.), 0νββ-Zerfall 22) Di 10. Juli Dunkle Materie Evidenzen für DM; Teilchenkandidaten; Entdeckungsversuche 23) Do 12. Juli Kosmische Strahlung Beschleunigung, Ausbreitung in der Galaxie, Luftschauer, extragal. K.S., Bedeutung für Astro- und Teilchenp 24) Di 17. Juli Astroteilchenphysik Die Querverbindungen zwischen Astronomie, Kosmologie, Kern- und Teilchenphysik v. Urknall bis zum Hig 25) Do 19. Juli Offene Fragen, neue Projekte Aktuelle und geplante Experimente/Messungen 4 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

6 Literaturhinweise 5 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

7 G. Drexlin 2010 Bücher zur Kern- und Teilchenphysik Claude Amsler Bogdan Povh et al. Hartmut Machner Jörn Bleck-Neuhaus Kern- & Teilchenphysik Teilchen und Kerne Einführung in die Kern- & Elementare Teilchen UTB Verlag (1. Aufl., 2007) Springer (8. Aufl., 2009) Elementarteilchenphysik Springer (1. Aufl., 3/2010) Die Welt der elementaren Einheitliche Darstellung Wiley-VCH (1. Aufl., 2005) Suche nach den letzten Bausteine der Materie, der Kern- & Teilchen- Einführung in theor. Grund- Bausteinen der Materie Orientierung an Experi- physik aus experimenteller lagen und experimentelle mit Mitteln der Modernen menten, histor. geordnet Sicht, zahlreiche Aufgaben Methoden, Parallelen KTP Physik

8 G. Drexlin 2010 Bücher zur Kern- und Teilchenphysik Wolfgang Demtröder Brian R. Martin Ernest M. Henley Gerhard Musiol et al. Experimentalphysik 4 Nuclear & Particle Physics Subatomic Physics Kern- und Elementar- Kern-, Teilchen- & Astrophy. Wiley (2. Aufl., April 2009) World Scientific (3. ed., teilchenphysik, Verlag Springer (3. Aufl., 11/2009) standard topics of nuclear fully updated ed. of the Harri Deutsch, (1995) 4. Band der Reihe über die & particle physics, basic Classic textbook, up-to- zusammenfassende Experimentalphysik, umfass. concepts and theory with date introduction to both Darstellung der beiden Neubearbeitung der Themen current & future applications theory & experiment Teilgebiete

9 G. Drexlin 2010 Bücher zur Teilchenphysik Christoph Berger David Griffiths B.R. Martin, G.P. Shaw Donald H. Perkins Elementarteilchenphysik Introduction to Elementary Particle Physics Introduction to High Springer (2. Aufl., 2006) Particles, Wiley(2. ed. 2008) Wiley(3. Auflage. 12/2008) Energy Physics, Cam- Systematische Einführung balancing intuitive under- an introduction to particle Bridge Univ. (4. Aufl., 2000) von den Grundlagen zu standing & mathematical, physics, emphasizing the Introduction to modern modernen Experimenten, rigor, emphasizing particle foundations of the SM in particle physics, connects 88 Übungen mit Lösungen theory, many exercises experimental data tocosmology & astrophys.

10 G. Drexlin 2010 Bücher zur Kernphysik Theo Mayer-Kuckuck Klaus Bethge et al. Samuel S.M. Wong John S. Lilley Kernphysik Kernphysik Introductory Nuclear Nuclear Physics - Teubner (7. Aufl., 2002) Springer (3. akt. Aufl., 2007) Physics Wiley-VCH (2.Ed., Principles & Applications Grundlagen zum Gegen- Überblick über theoret. & 1998, comprehensive Wiley & sons, repr stand der Kernphysik: experimentelle Grundlagen introduction to nuclear Kernphysik vom Stand- etablierte Erscheinungen & Kernphysik. Methoden physics, with coverage of punkt des Experimen- moderne Perspektiven mit zahlreichen Übungen modern topics tators, Anwendungen

11 G. Drexlin 2010 Bücher zu Detektoren & experimentellen Techniken Konrad Kleinknecht Glenn F. Knoll William R. Leo Frank Hinterberger Detektoren für Teilchen- Radiation Detection and Techniques for Nuclear Physik der Teilchenbe- Strahlung, Teubner Verl. Measurement, Wiley( 3. & Particle Physics Exp. Schleuniger & Ionenoptik 4. Auflage (2005) Über- Ed., 2000) most compreh. Springer Verl.(2. Ed. 1994) Springer Verl.(2. Aufl. 2008) blick über den Aufbau & reference on methods & experim. techniques & Beschleunigertypen und die Funktionsweise von instrumentation in the instrumentation in nuclear Bauelemente, Ionenoptik Teilchendetektoren detection of ionis. radiation & particle physics expts. mit magnet. Elementen

12 1. Basic concepts in nuclear physics 2. Nuclear models and stability 3. Nuclear reactions 4. Nuclear decays and fundamental interactions 5. Radioactivity and all that 6. Fission 7. Fusion 8. Nuclear Astrophysics 9. Nuclear Cosmology A. Relativistic kinematics B. Accelerators C. Time-dependent perturbation theory D. Neutron transport E. Solutions and Hints for Selected Exercises F. Tables of numerical values G. Table of Nuclei

13 G. Drexlin 2010 Kern- & Teilchenphysik: Fachartikel preprints in: hep-ex, nucl-ex (Experiment) hep-ph (Phänomenologie) nucl-th (Kernphysik-Theorie) referierte Fachartikel: - Phys. Rev. C, D - Phys. Rev. Letters - J. Phys. G (Nucl. & Part.) - Phys. Lett. B - Astroparticle Physics

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15 Di 17. April Übersicht, Notation, Kinematik Notationen präzise Schlamperei kann Zeit sparen... Tour de Force durch die Geschichte der Kern- und Teilchenphysik um was geht es in dieser Vorlesung? rel. Kinematik Anwendungen von Quantenmechanik, Relativitätstheorie 14 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

16 15 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Notationen Größe Kern- / Teilchenphysik SI - Einheit G. Drexlin 2010 Länge 1 fm (1 Fermi) m Energie 1 GeV = 10 9 ev 1, J Masse = E / c 2 1 GeV / c 2 1, kg ħ = h / 2 6, GeV s 1, J s c 2, fm s -1 2, m s -1 ħ c 0,1975 GeV fm 3, J m natürliche Einheiten ħ = c = 1 Masse 1 GeV Länge 1 GeV -1 = fm Zeit 1 GeV -1 = s Heaviside-Lorentz Einheiten 0 = µ 0 = ħ = c = 1 Feinstruktur = e 2 / 4 1 /137.06

17 16 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Tour de Force Einleitung

18 Becquerel JJ Thomson Planck 17

19 Geiger Einstein Hess Rutherford 18 Millikan

20 Compton Pauli Heisenberg 19

21 Gamov Lawrence 20

22 1932 Raman, Chandrasekhara Venkata Bestimmung des Spin 1 [RA32] ( ), NPP 1930 des Photons Bhagavantam, S Joliot, Jean Frédéric Entdeckung der Paarvernichtung [JO33] ( ), NPC Fermi, Enrico Erste Formulierung einer Theorie [FE34] des ß-Zerfalls Joliot-Curie, Irene Erste Erzeugung künstlicher [JO34] ( ), NPC 1935 Radioaktivität, des Positronen- Joliot, Jean Frédéric strahlers 30 P Cerenkov, Paul Alexejewitsch Entdeckung des Cerenkov-Effekts [CE34] ( ), NPP 1958 Frank, Ilja Michailowitsch ( ), NPP 1958 Tamm, Igor Evgenewitsch ( ), NPP 1958 Mattauch, Joseph Erfindung des doppelt- [MA34] ( ) fokussierenden Massen- Herzog, Richard spektrometers (*1911) Fermi Mattauch, Joseph Formulierung der Isobarenregel [MA34a] Szilard, Leo Entdeckung [SZ34] ( ) des Szilard-Chalmers-Effekts Chalmers, T. A. Chadwick, James Entdeckung des Kernphotoeffekts [CH34] Goldhaber, Maurice (*1911) Noddack, Ida Eva Postulat der Kernspaltung [NO34] ( ) 1935 Yukawa, Hideki Mesonenhypothese [YU35] ( ), NPP 1949 zur Erklärung der Kernkraft Bethe, Hans Albrecht Tröpfchenmodell [WE35] (*1906), NPP 1967 zur Berechnung der Kernmassen [BE36] von Weizsäcker, Carl Friedrich (*1912) ( ) 1936 Bohr, Niels Hendrik David Compoundkernhypothese [BO36] als Kernreaktionsmechanismus Yukawa 21 Breit, Gregory Theorie der Resonanzen [BR36] ( ) in Kernreaktionen Wigner, Eugene Paul ( ), NPP 1963 Breit

23 Bethe Hahn & Meitner 22

24 1940 Flerov, Georgij Nikolajewitsch Entdeckung der spontanen [FL40] Petrzhak, Konstantin Andronowitsch Spaltung des Urankerns (*1911) McMillan, Edwin Mattison Entdeckung des ersten [MC40] ( ), NPC 1951 Transuran-Elements Neptunium Abelson, Philip Hauge (Z=93) (*1913) Seaborg, Glenn Theodore Entdeckung des Elements [SE46] ( ), NPC 1951 Plutonium (Z=94) et al. Alvarez, Luis Walter Messung des magnetischen [AL40] Bloch, Felix Moments des Neutrons ( ), NPP Mattauch, Joseph Isomerie-Regeln [MA41] Kerst, Donald William Erstes Betatron in Betrieb [KE41] ( ) 1942 Pauli, Wolfgang Einführung des Begriffs Nukleon [PA42] Dancoff, Sidney Michael ( ) Bloch Fermi, Enrico et al. Erster Kernreaktor in Chicago [FE44] wird kritisch 1943 Lawrence, Ernest Orlando Elektromagnetische Massen- [SM45] trennung mit Calutrons 1944 Seaborg, Glenn Theodore Entdeckung des Elements [SE44] James, Ralph Arthur Curium (Z=96) (*1920) Ghiorso Albert (*1915) Veksler, Vladimir Iosifovic Erfindung des Synchrotron- [VE45] ( ) prinzips und Entdeckung [MC45] McMillan, Edwin Mattison der Phasenfokussierung Leprince-Ringuet, Louis Marie E. Entdeckung des K + -Mesons [LE44] ( ) Lheritier, Michel 1945 Abwurf der ersten Uran-Bombe auf Hiroshima am 6. August Abwurf der ersten Plutonium-Bombe auf Nagasaki am 9. August 23

25 24 Powell

26 25 Steinberger

27 1952 Glaser, Donald Arthur Erfindung des Prinzips [GL52] (*1926), NPP 1960 der Blasenkammer Anderson, Herbert Lawrence Erster Hinweis [AN52] (*1914) auf die -Resonanz et al Hofstadter, Robert Messung der Kernstruktur mit [HO53] ( ), NPP 1961 Hochenergie-Elektronenstreuung Bonetti, Alberto Mario Erster Hinweis auf geladene [BO53a] (*1920) -Hyperonen et al. Konopinski, Emil John Einführung [KO53] (*1911) der Leptonenquantenzahl Mahmoud, Hormoz Massoud (*1918) Stückelberg von Breidenbach Einführung [ST53] zu Breidenstein und Melsbach, der Normierungsgruppe Ernst Carl Gerlach ( ) Petermann, A. Dalitz, Richard Henry Spin Null und negative Parität [DA53] (*1925) der K-Mesonen 1954 Ghiorso, Albert Entdeckung der Elemente [GH55] Thompson, Stanley Gerald Einsteinium (Z=99) und Seaborg, Glenn Theodore Fermium (Z=100) Lüders, Gerhart Beweis der CPT Invarianz ( ) in lokalen Feldtheorien [LU54] 1955 Segré, Emilio Gino Entdeckung des Antiprotons [CH55] ( ), NPP 1959 Chamberlain, Owen ( ), NPP 1959 Wiegand, Clyde Edward ( ) Ypsilantis, Thomas John ( ) Ghiorso, Albert et al. Entdeckung des Elements [GH55a] Mendelevium (Z=101) Gell-Mann, Murray Vorhersage des langlebigen [GE55] (*1929), NPP 1969 Kaons K L Pais, Abraham ( ) 26

28 Lee & Yang Wu Reines 27

29 Schwartz Pontecorvo Gell-Mann 28

30 Lederman Higgs Cronin Fitch 29

31 Charpak Salam Weinberg Glashow 30

32 31

33 Wolf Rubbia 1987 Neutrinos von der SN1987a 32

34 1998 Neutrino-Oszillationen SuperK 2001 SNO löst das solare Neutrino-Problem 2004 Pierre Auger-Observatorium geht in Betrieb 2009 LHC geht mit TeV in Betrieb 33

35 34 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Tour de Force

36 Größenordnungen und Energien KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

37 36 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA Tour de Force