Elementarteilchenphysik

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1 Christoph Berger Elementarteilchenphysik Von den Grundlagen zu den modernen Experimenten Zweite, aktualisierte und überarbeitete Auflage Mit 217 Abbildungen, 51 Tabellen und 88 Übungen mit Lösungshinweisen 1 3

2 IX 1 Überblick und Hilfsmittel 1.1 Strukturen der Materie Teilchen und Kräfte Abstandsskalen und Energieskalen Intermezzo: Schreibweise und Maßsysteme Die Elementarteilchen Antimaterie Leptonen Hadronen Quarks Felder und Wechselwirkungen Was ist ein Elementarteilchen? Wirkungsquerschnitte und Zerfallsraten Der Wirkungsquerschnitt Zerfallsraten Teilchenbeschleuniger Linearbeschleuniger Das Zyklotron Das Synchrotron a) Prinzip b) Fokussierung c) Magnete Speicherringe Detektoren Detektoren an collidern Spurenkammern a) Detektoren mit Gasverstärkung b) Festkörperzähler Kalorimeter a) Elektromagnetische Kalorimeter b) Hadronische Kalorimeter Blasenkammer Die Streumatrix und ihre Symmetrien 2.1 Die Streumatrix Wirkungsquerschnitte und Streuamplitude Zerfallsraten Symmetrien der S-Matrix Das optische Theorem Anhang über die δ-funktion Drehungen in drei Dimensionen Drehungen Die Drehgruppe Darstellungen der Drehgruppe Drehgruppe und halbzahlige Spins Produkte von Darstellungen

3 X 2.3 Drehungen und Verschiebungen in vier Dimensionen Lorentz-Transformationen Die Poincaré-Gruppe Darstellungen der Poincaré-Gruppe Anwendungen Kinematik der Zwei-Körper-Reaktionen Zwei-Körper-Zerfälle Partialwellenentwicklung der Streuamplitude Resonanzen in Formationsexperimenten Pion-Resonanzen Der Spin des Photons Der Spin des neutralen Pions Spiegelungen und Paritätsinvarianz Die Paritätstransformation Die Parität des Photons, des ρ-mesons und der Pionen Spin und Parität des K-Mesons Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung Die Zeitumkehr Zeitumkehr und das Prinzip des detaillierten Gleichgewichts Invarianz der Wechselwirkungen unter Zeitspiegelungen Innere Symmetrien I Globale Phasentransformationen Die Teilchen-Antiteilchen-Konjugation Lang- und kurzlebige neutrale K-Mesonen CP-Verletzung im K L -Zerfall Innere Symmetrien II, Isospin und SU Die Form der SU2-Matrizen Darstellungen Antiteilchen in der SU Die Isoinvarianz der Kernkraft Isospin und Quarks Reguläre Darstellung und G-Parität Isospin und K-Zerfälle Elementare Quantenelektrodynamik 3.1 Dirac-Gleichung und Feynman-Regeln Die Dirac-Gleichung Lösungen der freien Dirac-Gleichung Feynman-Regeln Die Renormierung und die laufende Kopplung Basis-Reaktionen der QED e e + -Vernichtung in µ µ + -Paare Die Elektron-Myon-Streuung Bhabha- und Møller-Streuung Anwendungen der Streuformeln a) Energieverlust geladener Teilchen b) Der mittlere Winkel der Vielfachstreuung Die Compton-Streuung Prozesse höherer Ordnung Die Bremsstrahlung a) Die Weizsäcker-Williams-Methode b) Der Wirkungsquerschnitt der Bremsstrahlung c) Energieverlust durch Bremsstrahlung Strahlungskorrekturen zur Mott-Streuung

4 XI 4 Hadronen in der Quantenchromodynamik 4.1 Quarks mit Farbe Das Statistik-Problem Die Gruppe SU Mesonen als qq-zustände Baryonen als qqq-zustände Farbdynamik Gluonen und das Potential der QCD Die laufende Kopplungskonstante Der Aufbau der Hadronen Die Werte von Spin und Parität im Quarkmodell Hadronen aus u- und d-quarks Die Massen der Quarks Hadronen aus u-, d- und s-quarks Die chromodynamische Hyperfeinstruktur Die Aufspaltung für Hadronen aus u- und d-quarks Hyperfeinstruktur und,,seltsame Quarks Elektromagnetische und starke Zerfälle von Hadronen Radiative Zerfälle der Vektormesonen Zerfälle der Vektormesonen in Leptonenpaare Radiative Zerfälle der pseudoskalaren Mesonen Zerfälle in Hadronen Neue schwere Quarks Das Vektormeson J/ψ(1S) Die Υ -Mesonen Quarkonium, cc und bb Hadronen mit charm und bottom Elektronen und Quarks 5.1 Elektron-Positron-Annihilation in Hadronen Der Wirkungsquerschnitt QCD-Korrekturen Der Endzustand Die elastische Elektron-Nukleon-Streuung Der Wirkungsquerschnitt Experimente zur elastischen Elektronenstreuung Das eπ-system Inelastische Elektron-Nukleon-Streuung Der Wirkungsquerschnitt im Quarkmodell Allgemeine Form des Wirkungsquerschnitts Modelle und Ergebnisse für F2 en QCD-Korrekturen Der Endzustand Zwei-Photonen-Physik Resonanzerzeugung Die Strukturfunktion des Photons Von der schwachen zur elektroschwachen Wechselwirkung 6.1 Schwache Wechselwirkung von Leptonen Quasielastische ν µ e -Streuung Der Zerfall des Myons Schwache Wechselwirkung von Quarks Der Cabibbo-Winkel

5 XII Der β-zerfall des Neutrons Der Zerfall π µν Zerfälle von K-, D- und B-Mesonen Der Zerfall des top-quarks Inelastische Neutrino-Nukleon-Streuung Die elektroschwache Wechselwirkung Die Entdeckung der neutralen Ströme Elektroschwache Wechselwirkung der Leptonen Elektroschwache Wechselwirkung von Quarks Das Standard-Modell 7.1 Die Neutrino-Elektron-Streuung Die e e + -Vernichtung in Fermion-Antifermion-Paare Die Bornsche Näherung Strahlungskorrekturen Die Elektron-Nukleon-Streuung bei Berücksichtigung des Z- und W-Austausches Die Erzeugung des W-Bosons in Quark-Antiquark-Stößen Die Produktion des top-quarks in Hadron-Hadron-Stößen Intermezzo: Die Hadron-Hadron-Streuung Higgs-Bosonen CP-Verletzung im Standard-Modell Die CKM-Matrix CP-Verletzung und b-quarks Neutrinomassen und Neutrino-Oszillationen Jenseits des Standard-Modells Majorana-Neutrinos Das Parameter-Problem Die große Vereinheitlichung Hierarchie und Feinabstimmung Die supersymmetrische Erweiterung des Standard-Modells 463 Lösungshinweise zu den Übungsaufgaben Literatur Sachverzeichnis