Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik

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1 Hartmut Machner Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik WILEY- VCH WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort XIII 1 Historische Anfänge Aufgaben 4 2 Experimentelle Methoden Beschleuniger Gleichspannungsbeschleuniger Linearbeschleuniger Kreisbeschleuniger Detektoren Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Messung der Ionisation Positionsmessung Teilchenidentifizierung Zeitmessung Energiemessung Impulsmessung Aufgaben 39 3 Globale Eigenschaften von Kernen und Nukleonen Massen, Bindung Streuexperimente Die Methode Streuung an einer harten Kugel Begriffe und Einheiten Quantenmechanik der Streuung Die Bom'sche Näherung Die Eikonal-Näherung Die Rutherford-Streuung Elastische Elektronenstreuung an Kernen Formfaktoren und Mott-Streuung Ladungsverteilung von Kernen Streuung leichter Ionen an Kernen Das Kastenpotential Materieverteilung 69 Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik. Hartmut Machner Copyright 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN:

3 VIII Inhaltsverzeichnis 3.6 Elektromagnetische Momente Magnetische Momente Elektrische Quadrupolmomente Ladungsverteilung der Nukleonen Partonen Partialwellenzerlegung Wirkungsquerschnitte der elastischen Streuung Totaler Wirkungsquerschnitt a-zerfall Gamow'sches Modell der Potentialdurchtunnelung Spektroskopische Faktoren Protonen-Radioaktivität Cluster-Radioaktivität Halbklassische Beschreibung Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung Das Deuteron Nukleon-Nukleon-Streuung Feld-theoretische Beschreibung der Wechselwirkungen Aufgaben Kernmodelle Fermi-Gas-Modell Tröpfchenmodell Das Schalenmodell Sphärische Potentiale Spin-B ahn-wechsel Wirkung Restwechselwirkung Deformierte Kerne Das optische Modell Einteilchen- Anregungen Kollektive Anregungen Vibrationen Rotierende Kerne Transurane und Spaltung Aufgaben Ungebundene Systeme, Symmetrien Resonanzen in Kernen Riesenresonanzen Erhaltungsgrößen Raum-Zeitliche Verschiebungen Rotation Halbzahlige Spins Die Parität V Die Zeitumkehr T Der Isospin 207

4 Inhaltsverzeichnis IX 5.4 Eigenschaften der Feldteilchen Die Entdeckung des Pions Spin des geladenen Pions Isospin der Pionen Spin und Parität des Photons Schwellenproduktionen Empirische Erhaltungssätze Ladungserhaltung Folgerungen aus der Existenz und aus dem/3-zerfall des Neutrons Das 7r-Nukleon-System Die 7r-Nukleon-Wechselwirkung Nukleonenresonanzen Resonanzen im 7r-7r-System Zweipionen-Systeme Dreipionen-Systeme Die Strangeness r/-zerfälle und die C-Konjugation Aufgaben Quarkonia und die starke Wechselwirkung Multipletts leichter Quarks Anordnungen in Multipletts, Quarks Quarkmassen Farbe Quarklinien Schwere Quarks Die Entdeckung des Charms Die Entdeckungen des Bottom- und des Top-Quarks QCD, Jets und Gluonen Quark-Quark-Potential Die laufende Kopplungskonstante Das Saitenmodell Nichtresonante (/(/-Erzeugung Gluonenabstrahlung Die Gluon-Gluon-Wechselwirkung Struktur der Nukleonen Skaleninvarianz Das Quark-Parton-Modell Neutrinostreuung Skalenbrechung und Impulsverteilung der Gluonen Eichinvarianz Nicht-Abel'sche Eichtransformationen Spontane Brechung der globalen Symmetrie: Goldstone-Mode Spontane Brechung der lokalen Symmetrie: Higgs-Mode Higgs-Mechanismus und Isospin 307

5 X Inhaltsverzeichnis 6.6 Chirale Störungstheorie Chiraler Grenzfall Partiell erhaltener axialer Strom TTTr-Streuung Offene Probleme Streuung von Hadronen bei hohen Energien Aufgaben Die elektroschwache Wechselwirkung Leptonen Eigenschaften geladener Leptonen Die Neutrino-Hypothese Der nukleare /3-Zerfall, Fermi's Theorie Verletzung der Paritätserhaltung, Helizität der Leptonen Das Wu-Experiment Der Zerfall des A-Hyperons Die Helizität der Leptonen Die V - A-Wechselwirkung Test der V - A-Theorie Der neutrale, schwache Strom Die Feldbosonen der schwachen Wechselwirkung Schwache Zerfälle von Teilchen mit Strangeness Verallgemeinerung auf sechs Quarks Die Vereinheitlichung der elektrischen und der schwachen Wechselwirkung Oszillationen, CV -Verletzung Das Zweizustandsproblem Die neutralen Kaonen Oszillation und Regeneration Verletzung der CV- und der T-Invarianz CV-Verletzung im Standardmodell Neutrinos Drei Leptonenfamilien Sonnenneutrinos Atmosphärische Neutrinos Neutrinooszillationen Aufgaben Kerne in exotischen Zuständen Hyperkerne Mesonische Atome Schwerionenphysik bei mittleren Energien Heiße Kerne Weitere Thermometer Thermalisierung Die Zustandsgieichung 423

6 Inhaltsverzeichnis XI 8.4 Suche nach dem Quark-Gluon-Plasma Nukleares Brennen, Neutronensterne Aufgaben 433 Anhang A Fourier-Transformationen 437 B Die Raum-Zeit 439 B.l Vierervektoren 439 B.2 Lorentz-Transformationen 440 B.3 Kovariante Formulierung der Elektrodynamik 441 C Kinematik und Phasenraum 443 C.l Kinematik 443 C.2 Zweikörper-Kinematik 446 C.3 Dreikörper-Kinematik 449 C.4 Methode der fehlenden Masse 455 C.5 Rapidität 455 D Addition von Drehimpulsen 457 E Die Dirac-Gleichung 459 E.l Wellengleichungen 459 E.2 Lösungen der Dirac-Gleichung 463 F Matrixelemente aus Feynman-Graphen 465 El Regeln der QED 465 F.2 Regeln der QCD 468 G Generatoren für die Gruppe SU (3) 471 H Quantenzahlen der Mesonen 475 Literaturverzeichnis 477 Index 489