Prof. Dr. Karl Brunner

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1 Kern- und Elementarteilchenphysik Prof. Dr. Karl Brunner Raum E099, Tel , Übungen: Dr. Thorsten Ohl Raum C246, Tel , Infos unter: Studenten Vorlesungen Kern- und Elementarteilchenphysik login: student, nuklid 1. Einleitung / 1

2 Kern- und Elementarteilchenphysik Vorlesung Mi. 11:00-12:30 h, Hörsaal P Mi. 15:15-16:00 h, Hörsaal P Übungen / Seminarvorträge Mi. 16:05 16:50, Hörsaal P Schein Aktive Teilnahme an Übungen/Seminarvorträgen Bestandene Klausur (am ) Bei nichtbestandener Klausur: Nachprüfung im SS Einleitung / 2

3 Inhalt/Terminplan (vorläufig) Datum Vorlesung V01: Einleitung: Überblick, Historie V02: Stabile Kerne, Massenformel V03: Kernzerfall, Kernreaktionen, Kernfusion V04: Strahlung-Materie-WW, Detektoren V05: Streuprozesse Vorlesungsfrei (Buß- und Bettag) V06: Kernaufbau V07: Schalenmodell V08: Tief inelastische Streuung, Teilchenzoo V09: Quark-Pardonmodell V10: Quantenchromodynamik V11: Schwache Wechselwirkung, Neutrinos V12: Standardmodell, Supersymmetrie Klausur V13: Nukleare Astrophysik Übung/Seminar --- Übung 1 Übung 2 Übung 3 Übung 4 -- Übung 5 Übung 6 Übung 7 Übung 8 Übung 9 Übung 10 Übung 11 Übung 12 Übung Einleitung / 3

4 Literatur: Demtröder: Experimentalphysik 4 (Springer) T. Mayer-Kuckuck: Kernphysik (Teubner) Bethge: Kernphysik (Springer) Claude Amsler: Kern- und Teilchenphysik (Vdf Hochschulverlag Zürich) Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Teilchen und Kerne (Springer) Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung (Teubner) Hering: Angewandte Kernphysik (Teubner) Pfennig et al.: Karlsruher Nuklidkarte (7. Aufl., FZ Karlsruhe 2006) Berger: Elementarteilchenphysik (Springer) Wille: Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen (Teubner) Schmüser: Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker (Springer) Segre: Nuclei and Particles (Benjamin) Schmitz: Neutrinophysik (Teubner) D. H. Perkins: Introduction to High Energy Physics, (Grundlagen, Phänomenologie, Experimentelle Techniken) Thorsten Ohl: Feynmandiagramme für Anfänger, ohl/, Link Lectures Spezielle Quellen zitiert in der Vorlesung (Veröffentlichungen, 1. Einleitung / 4

5 Einige historische Meilensteine 1896 Becquerel: Radioaktivität von Uran 1897 Thompson: Elektron 1910 Rutherford: Atomkern 1932 Chadwick: Neutron 1932 Anderson: Positron 1932 Heisenberg: Isospin T 3 =± 1 / 2 für p, n 1933 Pauli: Neutrino-Hypothese 1935 Yukawa: Yukawa-Potential der starken WW durch Mesonaustausch 1937: Anderson: Myon 1939 Hahn, Strassmann, Meitner: Kernspaltung mit Neutronen 1946 Powell, Occhialini: Pion in Höhenstrahlung 1948 Jensen, Goeppert-Mayer: Schalenmodell 1949 Feynman et al.: Quantenelektrodynamik 1953 Gell-Mann, Nishijima: Quantenzahl Strangenesss 1954 Young, Mills: Eichtheorie, Basis des Standardmodells 1955 Hofstadter: Elektronstreuung an Kernen 1955 Reines, Cowan: Antiproton 1964 Cronin, Fitch: CP-Verletzung 1964 Gell-Mann, Zweig: Achtfacher Weg, Flavour SU(3), Quarks 1967 Weinberg, Glashow, Salam: Elektroschwache Theorie 1973 Gross, Wilczek: Quantenchromodynamik der starken WW Wess, Zumino: Einfaches Wess-Zumino-Modell der Supersymmetrie : PETRA-, LEP-, TeVatron-,..Experimente: J/Ψ, τ, Y(b), Gluon, W +, W -, Z 0, ν τ 1983 Georgi, Dimoupoles: Minimales Supersymmetrisches Standardmodell 2008 LHC-Exp.: Higgs-Boson, Superteilchen? Siehe auch: Bethge S Einleitung / 5

6 Einfluß der Kern-/Teilchenforschung Nukleare Energiegewinnung Medizinische und wissenschaftliche Anwendungen Grundlegendes Verständnis des Aufbaus unbelebter und belebter Materie Kosmologie: Entwicklung des Kosmos in früher Phase des Urknalls und jetzt Warum ist die Welt so, wie sie wohl ist? Technische Entwicklungen: Materialien, Vakuumtechnik, SL-Magnete, Detektoren, Elektronik, Computer Management internationaler Großprojekte 1. Einleitung / 6

7 Aufbau der Atome 1. Einleitung / 7

8 Nuklidkarte und Kernkraftmodelle 1. Einleitung / 8

9 Stabilität und Häufigkeit der Kerne Relative Element-Häufigkeit im Sonnensystem Protonzahl, Ordnungszahl 1. Einleitung / 9

10 Kräfte und Aufbau der Materie 1. Einleitung / 10

11 Wirkliche Elementarteilchen: Fermionen Zu jedem Fermion (halbzahliger Spin s= 1 / 2 ) gibt es auch ein Antiteilchen 1. Einleitung / 11

12 Barionen Spin Parität : s P =1/2 + Neue Quantenzahlen: Charm C Isospin T 3 Strangeness S s P =3/2 + Barionen sind Fermionen (s= 1 / 2, 3 / 2 ) aufgebaut aus 3 Quarks 1. Einleitung / 12

13 Mesonen s P =0 - Charm C Isospin T 3 Strangeness S Mesonen sind Bosonen (s=0,1,..), aufgebaut aus Quark-Antiquark s P =1-1. Einleitung / 13

14 Wechselwirkungen Kräfte werden vermittelt durch Eichbosonen, Vektorbosonen (s=1) 1. Einleitung / 14

15 1. Einleitung / 15

16 1. Einleitung / 16

17 Methoden der Kernphysik: Spektroskopie und Streuung Massenspektroskopie Ablenkung einfach geladener Ionen M + M K =M + - ((Z-1)m e -E C /c 2 ) E C =Gesamte Coulombbindungsenergie der (z-1) Elektronen Massenstandard: 1u = M( 12 C)/12 = MeV/c 2 Bestimmung der Energieniveauabstände aus Kernreaktionen mit γ, β ±,α, p, n γ-photonenergiemessung mit Halbleiter-, Szintillationsdetektor, Bragg-Reflexion Energieauflösung: ~ 1%, 10%, bzw % Braggbedingung: 2dcosϑ=mλ; d~0.1nm: Hohe Ordnung m, kleine Winkel ϑ α-, β-spektrometer mit Ionisationskammer, Proportionalzählrohr, Szintillations-, Halbleiterdetektor, magnetischer β-linse Fokusposition: 2π 2mE z F = dz (Integral entlang Bahn) e B( z) 1. Einleitung / 17

18 Beispiel für Kernreaktionen und Niveauschemas Erzeugung von Deuteronen mit thermischen Neutronen: n th + 1 H 2 D + γ E γ wird gemessen und liefert Deuteron-Bindungsenergie: E B =E γ +E γ2 /(2M D c 2 )= MeV Aus gemessener Deuteronmasse folgt Neutronenmasse: M n =M D -M H -E B = MeV E(keV) Zerfallsschema zu Kern 15 N Z From: 1. Einleitung / 18

19 Streuung von e, p, α, n, Ionen Streuexperimente Elastische Streuung (Rutherford, Hofstadter): Potentiale, Kernladung, Kerngröße Inelastische Streuung: Anregung des Targetkerns: Einteilchenanr., Schwingung, Rotation, Spaltung, Kernreaktionen Tief-inelastische, reaktive Streuung: Identität des Projektils bleibt nicht erhalten Erzeugung von Compoundkernen und neuer Teilchen: Elementarteilchenphysik Teilchenart (Masse), Energie Spektroskopie Blasenkammeraufnahme eines Stoßes ν e (>>GeV)+p Barionen+Mesonen+Myonen 1. Einleitung / 19

20 Streuung von Teilchen Detektion der Teilchenzahl, abhängig von Teilchenart, Streuwinkel, Energie, Impuls, Polarisation des Sekundär- und Primärteilchens Beschreibung des Streuprozesses für Modellsystem Bestätigung des Modells Bestimmung von Modellparametern z.b.: Kerngröße aus Abweichung von Rutherfordstreuung für Winkel (ϑ=180 ) und große Energie: E kin = Z 1 Z 2 e 2 /(4πε 0 δ 0 ) De-Broglie Wellenlänge λ= h/p Klassisch z.b.: α-teilchen mit 10 MeV: λ= 1.6x10-15 m= 1.6fm Elektronen mit 10 MeV: λ= 70fm Hochenergetische, relativistische Teilchen (e, p) erreichen Target-Kern/Nukleon: Interferenzen (Strukturfaktor) aufgrund der Größe und inneren Struktur Kurzlebige Zwischenzustände ( s), Emission neuer Elementarteilchen Beschleuniger, Speicherringe, Komplexe Detektoren 1. Einleitung / 20

21 Beschleuniger, Speicherringe, Detektoren Zyklotron (Patent von Lawrence, 1932) ATLAS Detektor am LHC Large electron positron collider und large hadron collider LEP, LHC am CERN, Genf 27km; Protonen: 14TeV; Pb:1150TeV 1. Einleitung / 21

22 Elementarteilchen aus der Höhenstrahlung Höhenstrahlung (V.F. Hess 1912) 1. Einleitung / 22

23 Größen und Einheiten Streuquerschnitt: 1 barn = cm -2 = (10-14 m) 2 Länge: 1 Fermi = 1 fm = m Energie 1 ev = 1.6x10-19 J h = 6.6x10-16 evs Planck-Konstante hc= 197 MeV fm Elektrodynamik: ε 0 =1, α=e 2 /(4πhc) (Heavyside-Lorentz-System) Elementarteilchenphysik: c=1, h=1 d. h.: [E]=[p]=[m]=[1/t]=[1/r] da für relativistische Teilchen: E=E kin +E 0 =mc 2 ; p=mcβ; m=γm 0 ; β=v/c~1; r=βc t; In Vorlesung weitgehend: SI-Einheiten z.b.: Comptonwellenlänge des π-meson (Pion) D=h/mc; m π =140 MeV; D=197/140 fm=1.4 fm Yukawa-Potential: Stationäre Lösung der Klein-Gordon-Gl.: ψ t ψ 2 2 E 2 /c 2 = p 2 + m 0 c ; = ( ) ; c m c h V ( r) g m c = π exp r r h 1. Einleitung / 23