Teubner StudienbOcher Physik. K. Sibold Theorie der Elementarteilchen

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1 Teubner StudienbOcher Physik K. Sibold Theorie der Elementarteilchen

2 Theorie der Elementarteilchen Von Prof. Dr. rer. nat. Klaus Sibold E6 B.G.Teubner StLlttgart Leipzig' Wiesbaden

3 Prof. Dr. rer. nat. Klaus Sibold Studium in Karlsruhe und Durham (1967 bis 1971), Doktorand und wissenschaftlicher Assistent (1972 bis 1977), Promotion Wissenschaftlicher Assistent am Institut fur Theoretische Physik, Universitat Karlsruhe, Habilitation Sis 1985 verschiedene Forschungsaufenthalte bis 1995 wissenschaftlicher Mitarbeiter am MPI fur Physik und Astrophysik in MOnchen. Seit 1995 Professor for Theorie der Elementarteilchen an der Universitat Leipzig. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz fur diese Publikation ist bei Der Deutschen Bibliothek erhiiltlich. 1. Auflage Februar 2001 Aile Rechte vorbehalten B. G. Teubner StuttgartiLeipziglWiesbaden, 2001 Der Verlag Teubner ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. Gedruckt auf saurefreiem Papier Umschlaggestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschotzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulassig und strafbar. Das gilt besonders for Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen System en. ISBN-13: e-isbn-13: DOl: /

4 Vorwort Das vorliegende Buch ist der Versuch, die Physik der Elementarteilchen auf elementarer Basis moglichst umfassend, aber doch knapp darzustellen. D.h. es sollen die Grundgedanken der theoretischen Beschreibung ebenso vermittelt werden wie der Stand ihrer experiment ellen Uberpriifung. Da sich derzeit aile Wechselwirkungen in Form von Eichtheorien formulieren lassen und dabei die storungstheoretische Berechnung physikalischer GroBen in erstaunlich weitem Umfang moglich ist, ist dieser Versuch nicht von vorneherein zum Scheitern verurteilt. Insbesondere kann damit jeder Leser, der iiber Anfangsgriinde der Quantenmechanik und der relativistischen Schreibweise verfiigt, die ersten Ergebnisse selbst nachrechnen und mub sieh erst bei den tieferen Resultaten auf die verbalen Ausfiihrungen des Autors verlassen. Ahnlich wird bei den experimentellen Tests verfahren, nur fallt hier die eigentliche Beschreibung der Experimente meist sehr knapp aus oder fehlt ganzlich: der Autor ist Theoretiker. Um klar zu machen, dab die Teilchenphysik ein sehr lebendiges Gebiet ist, werden jeweils die geplanten groben Experimente und ihre Ziele angesprochen. Insbesondere wird deswegen die CP-Verletzung einigermaben ausfiihrlich erortert. Die Kapitel sind mit Bedacht so konzipiert, dab sie einzeln gelesen werden konnen. Genaue Verweise zeigen nieht nur Querverbindungen auf, sondern ermoglichen (hoffentlich) eben dieses Einzel-Lesen. Als Leser ist gedacht an Studenten der Physik etwa yom Semester an, die eine Kursvorlesung zur Struktur der Materie vertiefen wollen, aber natiirlich auch an solche, die auf dem Gebiet der Teilchenphysik arbeiten wollen. Das Buch erhebt keinen Anspruch auf wissenschaftliche Originalitat: es soli ein Lehrbuch sein und keine Monographie. Auf die zahlreichen Anleihen bei anderen Lehrbiichern, Monographien und Originalliteratur ist am SchluB verwiesen. Der Autor dankt sehr herzlich, Dr. J. Lindig und Dr. Ch. Rupp fiir den 'JEX Satz, dem Teubner-Verlag fiir sein freundliches Entgegenkommen, das Buch in seine Reihe Studienbiicher aufzunehmen. K. Sib old Leipzig, Oktober 2000

5 Inhalt Einleitung Historische Vorbemerkung Teilchen und ihre Eigenschaften. Wechselwirkungen Grundbegriffe der Quantenfeldtheorie Das quantisierte Feld. Der Propagator... Greensche Funktionen Das erzeugende Funktional Zo (J) Das erzeugende Funktional Z(J). Feynman-Diagramme fur Greensche Funktionen Die S-Matrix Reduktionsformeln fur Skalare. Reduktionsformel fur Spinoren Reduktionsformel fur Photonen Streuquerschnitte. Symmetrien Diskrete Symmetrien P, T, C in der klassischen Physik.... Diskrete Symmetrien in der Quantenmechanik. Diskrete Transformationen in der Quantenfeldtheorie Kontinuierliche Transformationen Klassische Punktmechanik Feldtheorie Nichtabelsche inn ere Symmetrietransformationen

6 6 Inhalt Die elektromagnetische Wechselwirkung Das abelsche Eichprinzip. Einfache Prozesse. M ller-streuung e+e+ -+ e+e+ e-e+ -+ e-e+,e- -+,e-. e+e--+". e-p+ -+ e-p+ Formfaktoren des Protons Die schwache Wechselwirkung StromxStrom-Form.... Geladene Strome Schwache Wechselwirkung der Quarks Neutrale Strome.... Der Cabbibo-Winkel Die elektroschwache Eichtheorie. Die Symmetrie der Leptonen. Das nicht-abelsche Eichprinzip. Das Higgs-Feld.... Die physikalischen Vektorbosonen. Die Symmetrie der Quarks. Kobayashi-Maskawa-Matrix... Die starke Wechselwirkung: QeD Struktur der Hadronen Partonen; Skalenverhalten nach Bjorken Asymptotische Freiheit. QCD.... Valenzquarks, Seequarks, Gluonen Renormierung Naive Divergenzgrade Regularisierung, Renormierung QED. QCD

7 Inhalt A B c Die elektroschwache Eichtheorie. Experimentelle Tests QED.... Hochenergietests... Niedernergietests... Die elektroschwache Eichtheorie. Interferenzeffekte Messungen auf der Z-Resonanz QCD.... e+ e- -+ Hadronen Die CKM-Matrix. CP-Verletzung.. CP-Verletzung im Kaon-System. CP-Verletzung im Standard-Modell. CP-Verletzung in B-Zerfiillen Massive Neutrinos Offene Fragen Informationsquellen, Literatur. Elektronische Informationsquellen. Literatur im konventionellen Sinn. Einheiten Die Dirac-Gleichung Vektorfelder Sachverzeichnis 195