Vorlesung Experimentalphysik 5b

Transkript

1 Vorlesung Experimentalphysik 5b Marissa Franklin Harvard Teilchen und Kerne Sommersemester 2014 Lutz Köpke Staudingerweg 7, Raum vorlesung/teilchenkerne_sose14/

2 Übungen Übungsgruppenleiter: noch unklar Reservierte Termine und Orte(nur ein oder zwei Termine nötig ) Montag 10:00-11:00, Seminarraum A Montag 11:00-12:00, Seminarraum A Dienstag 14:00-15:00, Seminarraum F Mittwoch 10:00-11:00, Seminarraum D Übungen finden sich unter Experimentelles Übungskonzept: Anwesenheitsübungen, wenige Hausaufgaben, dafür Hausarbeiten oder Programmieraufgaben

3 Beispiel für Hausarbeiten 1. Entdeckung von W und Z 2. Strukturfunktion (HERA-Beschleuniger) 3. Z-Boson (LEP-Beschleuniger) 4. Entdeckung des Higgs-Bosons 5. Entdeckung der Neutrinooszillation mit Super-K 6. Solare Neutrinos 7. Der Ladungsradius des Protons 8. Entdeckung des J/Psi Teilchens 9. Entdeckung der tau-leptons 10. Entdeckung des Gluons (3-Jet Ereignisse) 1. Formfaktoren: die Fouriertransformierte der Ladungsverteilung 2. Simulation eine Winkelverteilung: Accept/Reject Methode, Metropolis- Algorithmus, Inversionsmethode 3. Simulation eines Detektors: Winkelakzeptanz und Winkelauflösung

4 Literatur Teilchen und Kerne: Eine Einführung in die physikalischen Konzepte (Springer-Lehrbuch, 49,99 Euro) Povh, Rith, Scholz, Zetsche (Autor) Für Studierende der Universität Mainz ist das Buch online unter Nummer , zugänglich Literatur: Demtröder: Kern-, Teilchen und Astrophysik (Springer-Lehrbuch) Machner: Einführung in die Kern- und TeilchenPhysik, Wiley. Skript wird nach Beendigung der Kapitel freigeschaltet

5 Aufbau der Vorlesung 1. Einleitung, Wiederholung Ex-4 2. Globale Eigenschaften der Kerne und deren Stabilität 3. Streuphänomene 4. Gestalt der Kerne, elastische und tiefunelastische Streuung 5. Starke Wechselwirkung 6. Elektron-Positron Reaktionen 7. Schwache Wechselwirkung 8. Standardmodell 9. Quarkonia und Mesonen 10. Baryonen 11. Kernkraft, Aufbau der Kerne und kollektive Anregungen Struktur der Vorlesung folgt ungefähr dem Buch von Povd et al.

6 1. Einführung / Wiederholung Ex-4

7 Was ist neu in der Vorlesung? Bislang gelernt: Klassische Physik Mechanik makroskopischer Körper, Thermodynamik Elektrodynamik (Frequenzen bis 1 GHz), Optik Quantenphysik Quantenmechanik und Atome Übersicht der modernen Physik Hier: Was ist die Punktladung im Zentrum des Atoms? Was sind die elementaren Konstituenten der Materie und die Kräfte?

8 Was kommt konzeptionell auf Sie zu? Komplexe Systeme Keine exakten Lösungen Modelle können müssen aber nicht instruktiv und physikalisch sein Einfache Systeme exakte Theorie (Standardmodell) meist aber näherungsweise Berechnung (Reihenentwicklung) nötig Systeme sind meist relativistisch (Kinematik, Feldtheorie ) Potenzialbegriff nicht mehr anwendbar Objekte sind klein Quantentheorie großer technischer Aufwand um mit höchsten Impulsen kleinste Ausdehnungen zu vermessen: Ortsauflösung h/impuls

9 Auf dem Weg zur Teilchenphysik 1808: Dalton Gesetz der multiplen Proportionen 1811: Avogadro Molekültheorie der Gasgesetze 1815: Prout Massenzahlen Vielfaches des Wasserstoffs 1868: Medeleev Periodensystem der Elemente 1869: Hittorf Entdeckung Kathodenstrahlen 1896: Becquerel Entdeckung Radioaktivität 1998: M.&P. Curie Isolation von Polonium/Radium,,, 1897: J.J.Thomson Identifikation des Elektrons Planck, Bohr, Heisenberg, Rutherford.

10 Max Planck, 82 Jahre, Seespitze 3014 m Einige Wegbereiter

11 Hierarchie der Skalen m m m < m ev MeV GeV

12 Gebundene Systeme Größenskalen durch Wechselwirkung bestimmt: elektromagnetisch: langreichweitig stark: kurzreichweitig Spekten: Unterschiedliche Potenzialformen Potenzialbegriff kritisch für relativistische Systeme String-Theorie: Auch Elementarteilchen sind Anregungen winziger Saiten oder Flächen

13 Die wahren Elementarteilchen

14 Fermionenmassen Leptonen und Quarks gehorchen der Fermi-Dirac-Statistik (Spin =1/2) Viele offene Fragen: Warum sind Massen so unterschiedlich (Higgs-Kopplung)? Warum gibt es keine angeregten Leptonen und Quarks? Warum gibt es so viele Elementarteilchen? Warum Aufteilung in drei Generationen?

15 Fundamentale Kräfte 1800: Gravitation, Magnetismus, Elektrizität, Chemische Kraft 1880: Magnetismus/Elektrizität Elektromagnetismus (Maxwell) 1910: Atom besteht aus kleinem Kern und Elektronen (Bohr) 1930: Kräfte im Kern (nicht fundamental), schwache Kraft 1970: Kräfte zwischen Quarks ( Kernkraft = Restwechselwirkung ) Ab 1983: elektroschwache Vereinheitlichung

16 Wechselwirkungen übertragen durch Teilchen mit Spin = 1 (Bosonen): 1 Photon ( ) koppelt an elektrische Ladung 8 Gluonen (g) koppeln an Farbladung W +, W -, Z 0 Bosonen koppeln an schwache Ladung

17 Kraftbeziehungen zwischen Teilchen

18 Symmetrien und Erhaltungssätze Emmy Nöther: jeder Symmetrie ist Erhaltungssatz zugeordnet! Klassische Physik: Symmetrie Zeit Ort Winkel Erhaltungssatz Energie Impuls Drehimpuls Subatomare Physik: Symmetrie Punkt- Symmetrie Teilchen/ Antiteilchen Ladungsunabhängigkeit Erhaltungssatz Parität C-Parität Isospin nicht alle Wechselwirkungen respektieren subatomare Erhaltungssätze Symmetrien besonders wichtig, falls Theorie nicht genau bekannt oder Berechenbar, Überprüfung direkter Hinweis auf Gültigkeit!

19 Zwei wichtige Typen von Quellen: Teilchenquellen Natürliche Quellen: Radioaktive Quellen Reaktoren Kosmische Strahlung Beschleuniger: Fixed Target Speicherring MeV TeV 300 EeV ev 48 J potenzielle Energie eines Steins mit 5 kg Masse bei 1 m Höhe