Teilchenastrophysik. B. G.Teubner Stuttgart 1997

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1 Teilchenastrophysik Von Prof. Dr. rer. nat. Hans Volker Klapdor-Kleingrothaus Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg und Dr. rer. nat. Kai Zuber, Universität Dortmund Mit zahlreichen Abbildungen und Tabellen SUB Göttingen / B. G.Teubner Stuttgart 1997

2 Inhalt 1 Das Standardmodell der Teilchenphysik Die Bausteine der Materie - Phänomenologie Die fundamentalen Wechselwirkungen ' Quantenzahlen und Symmetrien Die elektrische Ladung Q Parität P und Ladungskonjugation C CP-Konjugation Zeitumkehr Tund das CPT-Theorem Baryonenzahl B Leptonenzahl L Eichtheorien Das Eichprinzip Globale innere Symmetrien Lokale (= Eich-)Symmetrien Nicht-abelsche Eichtheorien (= Yang-Mills-Theorien) Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik Quantenchromodynamik QCD Elektroschwache Wechselwirkung 43 2 Große Vereinheitlichende Theorien (GUTs) Kopplungskonstanten Das minimale 5f/(5)-Modell Der Protonzerfall \ Erfolge und Mißerfolge der SU(5) ' Das SO(10)-Modell Neutron-Antineutron-Oszillationen Massive Neutrinos Der /3-Zerfall: Masse des Elektron-Neutrinos Der /?/?-Zerfall: Effektive Masse des Elektron-Neutrinos Das Myon-Neutrino Das Tau-Neutrino 85

3 6 Inhalt Neutrinooszillationen 86 Neutrinozerfall 96 Supersymmetrie 97 Suche nach Supersymmetrie mit Beschleunigern 101 Suche nach Supersymmetrie in Nicht-Beschleunigerexperimenten 103 Compositeness 106 Superstring-Theorien 107 Kosmologie 111 Weltmodelle 111 Bestimmung der Hubble-Konstante H o 116 Die Dichte im Universum 122 Das Alter des Universums 125 Evolution des Universums 126 Das Standardmodell der Kosmologie 126 Baryonasymmetrie im Universum 132 Probleme des Standardmodells 135 Das Flachheitsproblem 135 Das Horizontproblem 137 Das Monopolproblem 137 Die inflationäre Phase Primordiale Nukleosynthese Beobachtete Elementhäufigkeiten Die 4 He-Häufigkeit Deuterium und 3 He Li, 9 Be, n B Ablauf der Nukleosynthese Abhängigkeiten der 4 He-Häufigkeit Beschleuniger und die Anzahl der Neutrinoflavours Inhomogene Nukleosynthese Die kosmologische Konstante Kosmologische Modelle mit A^ Direkte Bestimmung von A Bestimmung von q Zukünftige Alternativen zur Bestimmung von A Das A-Problem Lösungsvorschläge für das A-Problem 172

4 NEDEP.S. raats-u.univ.- BIBLIOTHEK GÖTTINGEN Inhalt 7 Großräumige Strukturen im Universum 176 Galaxien 176 Haufen, Superhaufen und Leerräume 181 Rotverschiebungs-Durchmusterungen 183 Pekuliargeschwindigkeiten 187 Quasare 189 Beschreibung von Strukturen 192 Die Entwicklung von Fluktuationen 194 Die Entstehung von Strukturen 200 Dunkle Materie und Strukturentstehung 201 Das Anfangsspektrum der Dichtefluktuationen 203 Kosmische Strings 206 Die kosmische Hintergrundstrahlung 210 Die 3K-Hintergrundstrahlung 210 Spektrum und Temperatur 210 Messung von Form und Temperatur der 3K-Strahlung Anisotropien in der 3K-Strahlung 217 Der kosmische Röntgenhintergrund 224 Der kosmische Neutrinohintergrund 227 Kosmische Strahlungen 229 Die klassische kosmische Strahlung 231 Das primäre Spektrum 231 Direkte Messungen der Primärstrahlung 233 Sekundärprodukte und Schauer 235 Myonen in der kosmischen Strahlung 243 Atmosphärische Neutrinos 246 Quellen kosmischer Strahlung 248 Beschleunigung kosmischer Strahlung 250 Propagation der kosmischen Strahlung 253 Röntgen- und 7-Astronomie A1 in der Milchstraße 256 Die 511-keV-Linie in der Milchstraße 258 Geminga 259 Der Krebs- und Velapulsar 260 Gamma-Ray-Burster 260 Ultrahochenergetische 7-Strahlung 261 Hochenergetische Neutrinos 266

5 8 Inhalt 9 Dunkle Materie Evidenz für dunkle Materie Dunkle Materie in Galaxien Dunkle Materie in Galaxienhaufen Dunkle Materie und großräumige Struktur Dunkle Materie und Kosmologie Kandidaten für dunkle Materie Uneigentliche" Kandidaten Baryonische dunkle Materie Nichtbaryonische dunkle Materie Nachweis der dunklen Materie Reaktionsraten für WIMP-Kern-Streuung Direkte Experimente Indirekte Experimente Magnetische Monopole Der Dirac-Monopol Der t'hooft-polyakov-monopol Astrophysik der Monopole Experimentelle Suche nach Monopolen Induktionsexperimente Ionisationsexperimente Katalyse des Nukleonenzerfalls Andere Methoden Axionen Theoretische Motivation Eigenschaften des Axions Axionen und Sternentwicklung Allgemeines! v Solare Axionen Axionen und Rote Riesen Axionen und SN1987a Axionen in der Kosmologie Experimentelle Axionsuche Kosmische Axionen Axionen aus dem Halo unserer Milchstraße Solare Axionen 344

6 Inhalt 9 12 Solare Neutrinos Das Standardsonnenmodell Reaktionsraten Energie- und Neutrino-Erzeugungsprozesse in der Sonne Das Sonnenneutrinospektrum Solare Neutrinoexperimente Das Chlor-Experiment Der Kamiokande-Detektor Die Gallium-Experimente Theoretische Erklärungsversuche Nichtstandard-Sonnenmodelle, das 7 Be-Problem, Kosmionen, Helioseismologie Neutrinooszillationen in Materie, der MSW-Effekt Das magnetische Moment des Neutrinos Zukünftige Experimente Radiochemische Experimente Echtzeit-Cerenkov-Experimente Echtzeit-Szintillator-Experimente Das HELLAZ-Experiment Das ICARUS-Experiment Neutrinos von Supernovae Supernovae Entwicklung massiver Sterne Die eigentliche Kollapsphase Neutrinoemission bei Supernova-Explosionen Nachweismethoden für Supernovaneutrinos Die Supernova 1987a Eigenschaften der Supernova 1987a Neutrinos von der SN 1987a Neutrinoeigenschaften aus der Supernova 1987a Supernovaehäufigkeit und zukünftige Experimente Die Entstehung schwerer Elemente Allgemeines Neutroneneinfang /3-Zerfall Explosive Szenarien und Elementsynthese bis zum Eisen Elementsynthese oberhalb von Eisen 429

7 10 Inhalt Der s-prozeß Der p-prozeß Der r-prozeß Kosmochronometer und das Alter des Universums 438 Literaturverzeichnis 442 Sachverzeichnis 481 Quellennachweis 488