Klaus Bethge und Ulrich E. Schröder Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen

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3 Klaus Bethge und Ulrich E. Schröder Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen

4 Weitere interessante Titel zu diesem Thema Machner, H. Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik 2005 ISBN Liebscher, D.-E. The Geometry of Time 2005 ISBN Bethge, K., Gruber, G., Stöhlker, T. Physik der Atome und Moleküle Eine Einführung 2004 ISBN Buckel, W., Kleiner, R. Supraleitung Grundlagen und Anwendungen 2004 ISBN Griffiths, D. Introduction to Elementary Particles 1987 ISBN

5 Klaus Bethge und Ulrich E. Schröder Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen 3., überarbeitete und erweiterte Auflage

6 Autoren Klaus Bethge Johann-Wolfgang-Goethe-Universität Max-von-Laue-Str Frankfurt am Main Bethge@vff.uni-frankfurt.de Ulrich E. Schröder Am Hang Oldendorf Titelbild Titelbild nach DESY: Supermikroskop HERA (2002) S überarb. u. erw. Auflage 2006 Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. c 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Printed in the Federal Republic of Germany Gedruckt auf säurefreiem Papier. Satz Steingraeber Satztechnik GmbH, Ladenburg Druck Strauss GmbH, Mörlenbach Bindung Großbuchbinderei J. Schäffer GmbH, Grünstadt ISBN-13: ISBN-10:

7 Inhaltsverzeichnis I Einleitung Historische Entwicklung Qualitativer Überblick Leptonen, Mesonen, Baryonen Grundbegriffe...12 Literatur...15 II Grundlagen Symmetrien als Ordnungsprinzip...17 A Kontinuierliche raum-zeitliche Symmetrien Symmetrie in der klassischen Mechanik Symmetrie in der Quantenmechanik Relativistische Invarianz Quantenzahlen Der Spin...26 B Permutationssymmetrie Fermionen und Bosonen...28 C Diskrete Symmetrietransformationen Räumliche Spiegelung Zeitliche Spiegelung (Bewegungsumkehr) Teilchen-Antiteilchen-Konjugation Das CPT-Theorem...37 D Innere Symmetrien Phasentransformation und Ladungserhaltung Der Isospin, SU(2) Die unitäre Symmetrie SU(3) Wechselwirkungen durch Felder Teilchenaustausch Yukawa-Potential Virtuelle Teilchen Eichsymmetrien als dynamisches Prinzip Die Eichsymmetrie U(1) in der Quantenmechanik Das Prinzip der Eichsymmetrie Höhere Eichsymmetrien Experimentelle Methoden der Elementarteilchenphysik Beschleuniger Detektoren...78 Literatur...93 Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. Klaus Bethge und Ulrich E. Schröder Copyright c 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN:

8 VI Inhaltsverzeichnis III Die elektromagnetische Wechselwirkung Geladene Leptonen Das Elektron Elektronenspin Positronen Myonen Beispiele für elektromagnetische Wechselwirkung Elastische Streuung Annihilation Unelastische Prozesse Prüfung der Quantenelektrodynamik Präzisionsmessungen bei niedrigen Energien Strahlungskorrekturen, Renormierung Test bei hohen Energien Invarianz gegenüber C, P und T Elektromagnetische Formfaktoren Formfaktoren für Proton und Neutron Interpretation Unelastische Lepton-Nukleon-Streuung Unelastische Formfaktoren Skalenverhalten Partonen Quark-Partonen Myon-Kern-Streuung Elektron-Positron-Vernichtung bei hohen Energien Die leichteren Vektormesonen Der totale Wirkungsquerschnitt der Reaktionen e + e Hadronen Die Quantenzahl Farbe Die neuen Teilchen Literatur IV Die schwache Wechselwirkung Charakteristische Eigenschaften Übersicht über die Prozesse der schwachen Wechselwirkung Der β-zerfall Nachweis der Neutrinos Nichterhaltung der Parität Phänomenologische Beschreibung Die V-A-Form der schwachen Wechselwirkung Der Zerfall des Myons Die Zerfälle Pion Lepton + Neutrino Strom-Strom-Kopplung und der erhaltene Vektorstrom Zerfälle der seltsamen Teilchen und die Universalität Die K 0 -Zerfälle Erzeugung und Zerfälle...194

9 Inhaltsverzeichnis VII 15.2 Regeneration Oszillation der Intensitäten CP-Verletzung Neutrinophysik Neutrinostrahlen und Detektoren Elastische Neutrinostreuung Unelastische Neutrinostreuung Neutrale Ströme Versagen der bisherigen Theorie bei hohen Energien Grenzen der Strom-Strom-Kopplung Die intermediären Vektorbosonen Vereinheitlichte elektromagnetische und schwache Wechselwirkung Spontane Symmetriebrechung Spontane Symmetriebrechung bei Eichtheorien (Higgs-Mechanismus) Die SU(2) U(1)-Eichtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung Einbeziehung der Hadronen Experimentelle Prüfung der GSW-Theorie CP-Verletzung in B-Zerfällen Neutrino-Oszillationen Literatur V Die starke Wechselwirkung Charakteristische Eigenschaften Wechselwirkung zwischen Nukleonen Die π-mesonen Der Nukleonenspin Die seltsamen Teilchen (Strangeness) Kaonen Hyperonen Resonanzen Baryonische Resonanzen Mesonische Resonanzen Höhere Resonanzen Hadronische Prozesse bei hohen Energien Das Quarkmodell der Hadronen Ordnung durch Symmetrie: Die Multipletts von SU(3) Die Hadronen im Quarkmodell Massenrelationen, magnetische Momente Quarks eine neue Substruktur Eichtheorie der starken Wechselwirkung Die Grundvorstellungen der Quantenchromodynamik Asymptotische Freiheit Farbeinschluß Modelle: Bag und String Eichtheorie auf dem Gitter...320

10 VIII Inhaltsverzeichnis 24.6 Quarkonium Experimentelle Prüfung der QCD Literatur VI Ausblick Die große Vereinigung Vereinigte Wechselwirkungen Das SU(5)-Modell Die Lebensdauer des Protons Die Entwicklungsphasen des frühen Universums Die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie Schlußbemerkungen Literatur Literaturverzeichnis VII Tabellen-Anhang Index...517

11 Vorwort zur 3. Auflage Die zweite Auflage des Buches Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen, die 1991 im Verlag Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt erschienen war, ist seit einigen Jahren restlos vergriffen. Der Verlag Wiley-VCH, Weinheim, hat sich dafür interessiert, eine Neuauflage herauszubringen. Diese Neuauflage erforderte nach gründlicher Durchsicht eine Reihe von Ergänzungen und Korrekturen, mit denen die wesentlichen neuen Erkenntnisse berücksichtigt werden konnten. So werden insbesondere in zwei zusätzlichen Abschnitten die neuen Entwicklungen bei den Neutrino-Oszillationen und den CP-verletzenden Zerfällen der B- Mesonen behandelt. Weitere neue Forschungsergebnisse haben wir ebenfalls aufgenommen. Zu erwähnen sind z.b. die Bestimmung des Kopplungsparameters der QCD, der Masse des top-quarks, die Untersuchungen der Quarkverteilungsfunktionen des Protons sowie die Messung des anomalen magnetischen Moments des Myons. Das Buch enthält neue und ergänzte Abbildungen. Eine Reihe von Kollegen hat durch Rat und Hinweise zu dieser Neuauflage beigetragen, wobei besonders zu nennen sind Prof. H. Meyer (Universität Wuppertal/DESY), Prof. H. J. Kluge und Dr. S. Lange (GSI), Dr. J. Bonn und Dr. Ch. Kraus (Universität Mainz), M. Rosenstihl (TU Darmstadt). Wir bedanken uns beim Verlag Elsevier für die Genehmigung, die Summary Tables aus Physics Letters B 592 abzudrucken. Vor allem ist Frau C. Freudenberger aus dem Institut für Kernphysik in Frankfurt zu danken für die ständige Bereitschaft, viele Bilder neu zu erstellen oder entsprechend unseren Wünschen anzupassen. Die hervorragende Zusammenarbeit mit Dr. A. Großmann, Dr. C. von Friedeburg sowie Frau Esther Dörring vom Wiley-VCH Verlag hat wesentlich zum Gelingen beigetragen. Darmstadt, Oldendorf, im November 2005 K. Bethge, U. E. Schröder Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. Klaus Bethge und Ulrich E. Schröder Copyright c 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN:

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13 Vorwort zur 1. Auflage Die Physik der Elementarteilchen hat in den letzten beiden Jahrzehnten eine besonders stürmische Entwicklung erfahren. Die dabei erzielten Fortschritte haben unsere Vorstellungen von den Grundbausteinen der Materie und ihren Wechselwirkungen wesentlich verändert. So ist es nach heutiger Auffassung möglich, die fundamentalen Wechselwirkungen unter dem einheitlichen Gesichtspunkt der Eichsymmetrien zu verstehen. Die starke, elektromagnetische und schwache Wechselwirkung werden durch Eichfelder vermittelt, die aufgrund entsprechender Eichsymmetrien einzuführen sind. Man darf davon ausgehen, daß diese Theorien auch in vorhersehbarer Zukunft den geeigneten Rahmen für die Interpretation weiterer theoretischer und experimenteller Fortschritte bilden werden. Im Verlauf der äußerst raschen Entwicklung der letzten Jahre ist mit den 1983 nachgewiesenen Vektorbosonen der schwachen Wechselwirkung (W ±,Z 0 ) ein gewisser Höhepunkt erreicht worden. Dies ist ein geeigneter Anlaß, die wesentlichen Ergebnisse in einer Darstellung zusammenzufassen, die sich an einen größeren Kreis interessierter Leser wendet. Bei der immer noch zunehmenden Spezialisierung auf Teilgebiete ist es selbst für den gut ausgebildeten Physiker oft schwierig, die interessanten Ergebnisse eines ihm nicht vertrauten Nachbargebietes zu verfolgen. Für viele potentielle Leser mag dies hinsichtlich der Elementarteilchenphysik zutreffen. Das ist um so bedauerlicher weil gerade dieses Gebiet für ein tieferes Verständnis der Physik von grundlegender Bedeutung ist und daher eine gewisse Kenntnis hierüber zum allgemeinen Bildungsgut des Naturwissenschaftlers, insbesondere des Physikers, gehören sollte. In dem vorliegenden Buch haben wir versucht, die neuen Vorstellungen und Erkenntnisse der Elementarteilchenphysik vorwiegend für alle diejenigen Interessenten zusammenfassend darzustellen, die auf anderen Sachgebieten arbeiten, z. B. in der Lehre an Schule oder Hochschule, in der Forschung oder der industrieellen Praxis tätig sind, sich aber gerne einen Überblick über den Stand und die neuesten Entwicklungen der Hochenergiephysik verschaffen wollen. Auch der Student, dem die grundlegenden Begriffe der Quantenmechanik und der speziellen Relativitätstheorie geläufig sind, wird hier einen ersten Eindruck gewinnen und könnte so zu weiterführenden Studien angeregt werden. Man sollte allerdings beachten, daß es sich hier nicht um ein Lehrbuch im herkömmlichen Sinn handelt. Damit der Inhalt auch für den Nichtfachmann verständlich bleibt, wurden detaillierte formale Herleitungen weitgehend vermieden. Vielmehr haben wir uns bemüht, soweit dies ohne wesentlichen Verlust an Genauigkeit möglich erschien, die Zusammenhänge bzw. Ergebnisse physikalisch anschaulich zu begründen, einfache Dimensionsbetrachtungen oder passende Analogien heranzuziehen. Andererseits sollte auf eine, wie wir meinen, maßvolle Verwendung der Formelsprache, nicht verzichtet werden. Denn gerade bei den Aussagen über die physikalischen Vorgänge im Bereich sehr kurzer Abstände (d. h. hohen Energien), die sich unserer unmittelbaren Anschauung entziehen, ist man zu deren genauer Formulierung auf die Sprache der Mathematik angewiesen. Schließlich waren wir auch bemüht, das Zusammenspiel und die gegenseitige Befruchtung von Theorie und Experiment, die für das Voranschreiten der Forschung gleichermaßen wichtig sind, deutlich werden zu lassen. Wir hoffen, daß der hier eingeschlagene Mittelweg vom Leser nicht als zu schwer empfunden wird. Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. Klaus Bethge und Ulrich E. Schröder Copyright c 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN:

14 XII Vorwort zur 1. Auflage Bei derauswahl des zu behandelnden Stoffes, die notwendigerweise subjektiv ist, haben wir uns auf die nach dem heutigen Stand der Forschung gesicherten und wesentlichen Erkenntnisse konzentriert, von denen man annehmen darf, daß sie auch für die zukünftige Entwicklung von Bedeutung sein werden. Im einleitenden Kapitel gehen wir kurz auf die historische Entwicklung ein und geben einen ersten qualitativen Überblick, wobei an einige elementare Begriffe der Quantenmechanik erinnert wird. Im zweiten Kapitel werden die grundlegenden theoretischen Vorstellungen und die experimentellen Methoden diskutiert, die zum Verständnis und zur Erforschung der Elementarteilchen notwendig sind. Wir legen die Betonung bereits am Anfang auf die Symmetrien, die als ordnendes Prinzip der Teilchen und der Gesetze ihrer Wechselwirkungen angesehen werden können. Grundlegende Bedeutung kommt dabei den Eichsymmetrien zu, die es gestatten, die fundamentalen Wechselwirkungen unter dem einheitlichen Gesichtspunkt der Eichfelder zu behandeln, deren Kopplung an die Materiefelder aufgrund der Eichsymmetrie festgelegt ist. In den darauffolgenden Kapiteln werden dann die verschiedenen Wechselwirkungen nacheinander diskutiert. Wir beginnen mit der am leichtesten zugänglichen, der elektromagnetischen Wechselwirkung. Sie wird mit hoher Präzision durch die Quantenelektrodynamik (QED) beschrieben, die als einfachstes Beispiel einer Eichtheorie aufgefaßt werden kann. Die in diesem Kapitel ebenfalls diskutierte tiefunelastische Streuung geladener Leptonen an Nukleonen und die Elektron- Positron-Paarvernichtung bei hohen Energien führen auf die Substruktur der Hadronen, die leichten und schweren Quarks, die außer den Flavourquantenzahlen drei neue ladungsartige Freiheitsgrade, Farbe genannt, besitzen. Das vierte Kapitel ist der schwachen Wechselwirkung gewidmet, deren Beschreibung durch den phänomenologischen Ansatz der Strom-Strom-Kopplung bei hohen Energien versagt. In Analogie zur QED kann aber auch die schwache Wechselwirkung als Eichtheorie formuliert werden. An die Stelle des Photons treten dabei die intermediären Vektorbosonen, die infolge spontaner Symmetriebrechung die erforderlichen hohen Massenwerte erhalten. Außerdem können beide Theorien zu einer Eichtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung zusammengefaßt werden. Die Eichtheorie der starken Wechselwirkung zwischen den farbigen Quarks, die Quantenchromodynamik, diskutieren wir im Kapitel V, nachdem zuvor die wesentlichen Eigenschaften der Hadronen und ihre Beschreibung im Quarkmodell behandelt wurden. Das letzte Kapitel ist schließlich einer möglichen großen Vereinigung der fundamentalen Wechselwirkungen gewidmet. Besonders interessant sind die sich daraus ergebenden Zusammenhänge zwischen Problemen der Astrophysik und Kosmologie einerseits und den neuen Vorstellungen auf dem Gebiet der Teilchenphysik andererseits. Diese symbiotische Beziehung zweier scheinbar getrennter Gebiete eröffnet neue unerwartete Einsichten und dürfte auch für die weitere Entwicklung unserer Erkenntnisse über die Entstehung der Welt im Großen und ihre Beschaffenheit im Kleinen von großer Bedeutung sein. Weitere Einzelheiten über den Inhalt des Buches sind dem Inhaltsverzeichnis zu entnehmen. Den Kapiteln I bis VI sind jeweils kurze Zusammenfassungen vorangestellt, die in das Thema einführen und zur ersten Orientierung dienen sollen. Am Ende jedes Kapitels findet der Leser eine Auswahl einschlägiger Literaturhinweise. Die hier angegebenen Monographien und Übersichtsartikel mögen bei ergänzenden oder weiterführenden Studien nützlich sein. Die im Text anzutreffenden Literaturzitate weisen in der Regel auf die Originalliteratur hin,

15 Vorwort zur 1. Auflage XIII gelegentlich auch auf Lehrbücher, in denen weitere Einzelheiten zu finden sind, auf die wir hier nicht näher eingehen konnten. Nicht immer ist die gewünschte Literatur leicht zugänglich. Wir haben deshalb in den Anhang (A1) einen Auszug aus der Ausgabe 1984 der alle zwei Jahre erscheinenden Datensammlung Review of Particle Properties aufgenommen. In dieser Tabelle sind die wichtigsten Daten über die Elementarteilchen zu finden. Das maschinengeschriebene Manuskript haben Frau P. Behrens, Frau U. v. Graevenitz und Frau E. Kühn erstellt. Den größten Teil der Bilder zeichneten Frau G. Boffo, Frau C. Freudenberger, Herr N. Kroker, Frau E. Steuer und Herr N. Tschocke. Nützliche Hinweise erhielten wir von Herrn Dipl.-Phys. W. Schadt, der die erste Fassung des Manuskripts gelesen hat. Ihnen allen sei für diese Mitwirkung herzlich gedankt. Wir danken dem American Institute of Physics für die Erlaubnis, die Teilchentabelle aus Rev. Mod. Phys. 56 (1984) im Anhang wiedergeben zu dürfen. Die Abteilungen für Öffentlichkeitsarbeit von CERN und DESY haben uns Abbildungen zur Verfügung gestellt, wofür wir ihnen ebenfalls danken. Dem Lektor der Wissenschaftlichen Buchgesellschaft, Herrn Dr. H.-D. Schulz, sind wir für wertvolle Anregungen zu Dank verpflichtet. Frankfurt a. Main, Juli 1985 Klaus Bethge, Ulrich E. Schröder