Bemerkung

INHALT
I.
Bausteine der
Materie und ihre
Wechselwirkungen
II.
Zusammengesetzte
Systeme: Kerne
III.
Anwendung der
Kern- & Teilchenphysik
IV.
Teilchenphysik
und Kosmologie
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Einleitung
Theoretische Konzepte: Wirkungsquerschnitt, Feynman Diagramme
Experimentelle Methoden: Beschleuniger und Detektoren
Elastische Streuung an Kernen
Elastische Streuung an Nukleonen (p,n)
Tiefinelastische Streuung
Quarks in Hadronen
Starke Wechselwirkung und QCD
Schwache Wechselwirkung
Elektroschwache Theorie
Das Standardmodell der Teilchenphysik
12.
13.
14.
Kernkraft
Aufbau der Kerne
Stabilität der Kerne
15.
16.
17.
Kernspaltung
Kernfusion: Energieerzeugung in der Sonne
Neutrinos von der Sonne und aus der Atmosphäre
18.
19.
Offene Fragen der Teilchenphysik: Physik jenseits des Standardmodells
Kosmologie: Inflation, Dunkle Materie & Dunkle Energie, Antimaterie
Kern-Teilchenphysik I, SS2007, Prof. Pauss
– Kap 1 –
1
Zusätzliche Literatur
1.
Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Teilchen und Kerne, Springer Verlag
2.
Englische Version:
Particles and Nuclei. An Introduction to Physical Concepts.
by Bogdan Povh, Klaus Rith, Christoph Scholz et al.
Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2003)
3.
H. Frauenfelder und E.M. Henley: Teilchen und Kerne, Oldenbourg Verlag
4.
D.H. Perkins: Introduction to High Energy Physics, Cambridge University Press
5.
N. Schmitz: Neutrinophysik, Teubner Studienbücher
6.
W. Demtröder: Experimentalphysik IV: Kern- Teilchen- und Astrophysik,
Springer Verlag
6.
W.S.C. Williams: Nuclear and Particle Physics, Oxford Science Publication
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– Kap 1 –
2
Information auf der Web-Site
Kern- und Teilchenphysik I
SS2007
http://ihp-lx2.ethz.ch/kt1
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– Kap 1 –
3
Kapitel 1: Einleitung
1.1 Allgemeine Einführung
1.2 Einheiten
1.3 Symmetrien und Erhaltungssätze
1.1 Allgemeine Einführung
 Gesetze der Kern- und Teilchenphysik zur Beschreibung von:
Aufbau der Materie und Entwicklung des Universums
 Grundbausteine der Materie: 6 Quarks und 6 Leptonen  3 Familien
 4 fundamentale Wechselwirkungen vermittelt durch Trägerteilchen
Gravitation: vernachlässigbar im subatomaren Bereich
Untersuchen von Teilchenreaktionen bei höchsten Energien
 Blick zurück in die frühesten Phasen der Entstehung des Universums,
welche die Eigenschaften des heutigen Universums festgelegt haben
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– Kap 1 –
4
Auflösung der
Beschleuniger:
< 10-16cm
LEP (CERN)
1989-2000
MAGIC
HERA (DESY)
Seit 1992
Hubble
LHC (CERN)
WMAP
2007
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– Kap 1 –
5
Heute: 6 Quarks
6 Leptonen
~1980
Guth, Linde
Inflation
~1960
Quarkmodell
1969
Wheeler
Schwarzes Loch
1932
Chadwick
Neutron
1965
Penzias, Wilson
T ~ 3K (CMB)
1932
Entdeckung in
kosm. Strahlung
Anderson
e+
1910
Rutherford
Atom: Kern
und e-Hülle
1948
Gamov
1927
Lemaitre
Big Bang
1923
Hubble
υ=Hr
1930
Pauli
ν postuliert
1897
J.J.Thomson
Elektron
1917
Sharpley
Milchstrasse ist
spiralförmig
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1896
Becquerel
Radioaktivität
Beginn der
Teilchenphysik
Beginn der
Kernphysik
– Kap 1 –
6
Neue wichtige theoretische
Erkenntnisse:
Einstein’s Relativität und
Quantenmechanik
Suche nach den Grundbausteinen der Materie
Die letzten 50 Jahre:
Faszinierende Zeit der Entdeckungen:
“seltsame” Teilchen
Symmetriebrechung zwischen
links und rechts
Vergangenheit und Zukunft
Neutrinos, mehr Quarks (c, b und t),
W und Z
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– Kap 1 –
7
Trägerteilchen
Leptonen Quarks
Grundbausteine
elektromagnetische
Wechselwirkung
Photon (γ)
starke
Wechselwirkung
Gluon (g)
schwache
Wechselwirkung
W, Z
Drei Familien
LEP: Nν = 3
Alle SM Teilchen – ausser Higgs-Teilchen – entdeckt
WW: beschrieben durch Quantenfeldtheorien
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8
Mass spectrum of
lepton, quarks
(fermions)
and
carrier of forces
(bosons)
Ursprung der Teilchenmassen (Higgs) ?
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9
Elementarteilchen
Leptonen: e µ τ νe νµ ντ kommen frei in der Natur vor
Quarks: u d s c b t
kommen nicht frei in der Natur vor
"Elementarteilchen" werden aus Quarks aufgebaut
HADRONEN: Mesonen und Baryonen
Mesonen:
Baryonen:
Siehe Particle Physics Booklet
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– Kap 1 –
10
Masse und kinetische Energie
“Masse ohne Masse”
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– Kap 1 –
11
Wechselwirkungen
Wechselwirkungen zwischen Grundbausteinen basiert auf einfachem Prinzip:
Wechselwirkung via Austausch eines Trägerteilchens:
Photon
elektromagnetische Wechselwirkung
W, Z
schwache Wechselwirkung
Gluon
starke Wechselwirkung
Trägerteilchen
Wechselwirkungen durch Eichtheorien (Quantenfeldtheorie) beschrieben
Fundamentale offene Frage
Existiert eine grosse Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen ?
Eine solche Symmetrie zwischen Kräften sollte zu Beginn des Universums existiert haben
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12
Evolution des Universums
Grundbausteine
der Materie
Strahlung dominiert Materie dominiert
Teilchenphysik
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– Kap 1 –
Universum wird transparent:
 Kosmische Hintergrund
Strahlung
13
1.2 Einheiten
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14
Energieskalen
Energieskalen in unserem
Universum und ihre
Masse - Energieäquivalenz
1 eV = 1.602 10-19 J
Energie
Physikalische Interpretation
eV
Energieskala des e in äusserer Elektronenschale im Atom
keV = 103 eV
Energieskala des e in innerer Elektronenschale im Atom
MeV = 106 eV
Energieskala der n, p im Atomkern
GeV = 109 eV
Energieskala der Quarks im Proton
TeV = 1012 eV
Energieskala des zukünftigen Beschleunigers LHC
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15
1.3
Symmetrien und Erhaltungssätze
Symmetrien spielen eine wichtige Rolle in der Physik
Noether Theorem:
Ist ein physikalisches Gesetz (z.B. Bewegungsgleichung)
bezüglich Symmetrieoperation invariant, so gibt es
einen dazugehörigen Erhaltungssatz
Bemerkung: Manche Symmetrien sind unter bestimmten Bedingungen
(Wechselwirkungen) verletzt
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Inhalt
Bemerkung
Wirkungsquerschnitt Störungstheorie
Fermi Goldene Regel Feynman Diagramme
Mathematisches "Werkzeug"
Spezielle Relativität, QM
Beschleuniger Detektoren
Experimentelles "Werkzeug"
Elastische  Tiefinelastische Streuung
Lerne über Struktur des Targets
Strahlenergie erhöhen:
 Grundbausteine der Materie
(Quarks und Leptonen)
Quarks in Hadronen
Starke Wechselwirkung
q
q
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q
g
q
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Inhalt
Schwache Wechselwirkung
Bemerkung
µ-
P-Verletzung
CP-Verletzung
Z
Elektroschwache Wechselwirkung
Standardmodell: Tests, offene Fragen
Kernkraft
Aufbau und Stabilität der Kerne
µ+
e-
Nuklide
e+
Kernspaltung
Kernspaltung Kernfusion
Energieerzeugung in der Sonne
Neutrinos und Physik jenseits SM
Kernfusion
Teilchenphysik und Kosmologie
Dunkle Materie, Energie des Vakuums
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