Teilchenphysik ohne Beschleuniger

Teilchenphysik
ohne Beschleuniger
Von Prof. Dr. rer. nat. Hans Volker Klapdor-Kleingrothaus
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
und Dr. rer. nat. Andreas Staudt
Zentrale Forschung Bayer AG, Leverkusen
Mit zahlreichen Abbildungen und Tabellen
V
SUB Göttingen
203 215141
95 A14768
B.G.Teubner Stuttgart 1995
Inhalt
Moderne Elementarteilchentheorien
9
Die elementaren Bausteine der Materie
Einführung
Leptonen und Quarks
Antiteilchen
Aufbau der Hadronen aus Quarks .
10
10
10
13
13
Die elementaren Wechselwirkungen
Einleitung . . . . . , - . .
Der Begriff der Wechselwirkung in modernen Quantenfeldtheorien
Die Reichweite einer Austauschwechselwirkung
Phänomenologie.der bekannten Wechselwirkungen . . . . . . . .
14
14
Symmetrien und Invarianzen
.*
Symmetrieoperationen in der modernen Physik
Modelle für eine T- und CP-Verletzung
26
26
32
Eichtheorien und das Standardmodell
Einleitung
Das Eichprinzip
Die spontane Symmetriebrechung
Das Glashow-Weinberg-Salam-Modell
Die starke Wechselwirkung
Die SU(3)C <g> SU(2)L ® J7(l)-Gruppe - das Standardmodell .
37
37
38
44
48
51
53
Modelle der Großen Vereinigung
Motivation von GUT's
Effektive Kopplungskonstanten
Das Sl/(5)-Modell
Das 5O(10)-Modell
Supersymmetrische GUT-Modelle
Superstrings
55
55
56
60
62
65
67
14
19
21
Inhalt
1
5
1.6
1.6.1
1.6.2
1.6.3
1.6.4
Die Beschreibung von Neutrinos
Parität und Ladungskonjugation bei Neutrinos .
Dirac- und Majoranabeschreibung
Die physikalische Neutrinomasse . . . . . . . . "
Neutrinos in GUT-Modellen .
68
68
70
73
75
1.7
Ausblick
78
2
Zur Teilchenphysik mit Beschleunigern
82
2.1
Energieskalen gegenwärtiger und zukünftiger Beschleuniger . . 83
2.2
2.2.1
Zur Physik an den Beschleunigern bis um die Jahrtausendwende 101
Tests des Standardmodells durch LEP und SLC
108
2.3
Ausblick. Beschleuniger- und Nicht-Beschleuniger-Experimente 123
3
Das frühe Universum und Teilchenphysik
125
3.1
Das kosmologische Standardmodell
125
3.2
Inflationäre Modelle
133
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
Die primordiale Nukleosynthese
Beobachtete Häufigkeiten der primordialen Elemente
Der Ablauf der Nukleosynthese
Die Anzahl der Neutrinofiavours
134
135
136
141
4
Der Protonzerfall
144
4.1
Die Baryonenzahl
144
4.2
4.2.1
4.2.2
Theoretische Vorhersagen für die Lebensdauer des Protons . 146
Der Protonzerfall im SI/(5)-Modell
146
Der Protonzerfall in supersymmetrischen GUT-Modellen . . . 151
4.3
4.3.1
4.3.2
Experimente zum Protonzerfall
Indirekter Nachweis
Direkter Nachweis .\.
5
Neutron-Antineutron-Oszillationen, elektrisches Dipohnoment
des Neutrons
.
170
5.1
Das elektrische Dipolmoment von Elementarteilchen
170
5.2
Experimente zur Messung des elektrischen Dipolmoments des
Neutrons
:.
Das Prinzip der Messungen
Der Neutronenspiegel
r
174
174
175
5.2.1
5.2.2
152
i . 153
.154
6
Inhalt
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
-Experimente an einem Neutronenstrahl
Experimente an gespeicherten Neutronen
Das »-Problem
Das elektrische Dipolmoment anderer Teilchen
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
Neutron-Antineutron-Oszillationen
Einleitung
Die Phänomenologie der nn-Oszillationen
Experimente zu nn-Oszillationen
184
184
186
191
6
Experimente zur Bestimmung der Neutrinomasse
198
6.1
Die direkte Bestimmung der Neutrinomasse in Zerfallsexperimenten
199
Der Kernbetazerfall und die Masse des Elektronneutrinos . . . 199
Das 17-keV-Neutrino
221
Die Massen von Myon- und Tauneutrino
226
6.1.1
6.1.2
6.1.3
6.2
6.2.1
6.2.2
6.2.3
. . . . . . . .
177
179
182
183
228
228
231
6.2.4
6.2.5
6.2.6
Der Doppelbetazerfall
Einleitung
Die verschiedenen Zerfallsmodi
Der doppelte Betazerfall im Rahmen der Großen Vereinigungstheorien
Die Doppelbeta-Zerfallsraten
•
Experimente zum Doppelbetazerfall
Die Neutrinomischung im Oz/ß/3-Zerfall
6.3
Die Supernova SN1987A
293
6.4
Der Neutrinozerfall
298
7
Neutrinooszillationen
303
7.1
Einleitung und Phänomenologie der Neutrinooszillationen
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.2.5
Der Formalismus
Die Massenmatrix und die Teilchenmischung
Flavoroszillationen
Zeitliche Mittelwerte
Neutrinooszillationen und die Prinzipien der Quantenmechanik
Mischung von zwei Neutrinoflavors
7.3
7.3.1
7.3.2
Experimente zu Neutrinooszillationen
316
Die Empfindlichkeit verschiedener experimenteller Anordnungen316
Reaktorexperimente
320
236
241
256
289
. . 303
305
305
307
310
311
314
Inhalt
7
7.3.3
7.3.4
7.3.5
7.3.6
7.3.7
7.3.8
7.3.9
Beschleunigerexperimente
Experimente mit solaren Neutrinos
Der Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein-Effekt . . .
Das magnetische Moment des Neutrinos
Der Neutrinozerfall
Neuere Experimente zum Nachweis solarer Neutrinos
Atmosphärische Neutrinos
330
334
352
370
373
373
383
8
Magnetische Monopole
386
8.1
Einleitung, historischer Überblick
386
8.2
8.2.1
8.2.2
8.2.3
8.2.4
Theoretische Konzepte zur Einführung von magnetischen Monopolen
Die Symmetrie der Maxwell-Gleichungen . . .
Die Diracsche Quantisierungsbedingung
GUT-Monopole
Die Häufigkeit magnetischer Monopole im Universum
387
387
389
394
398
8.3
8.3.1
8.3.2
Prinzipien zum Nachweis magnetischer Monopole
Induktionstechniken
Wechselwirkung von Monopolen mit Materie
401
401
403
8.4
8.4.1
8.4.2
Experimentelle Ergebnisse
Die Suche nach Dirac-Monopolen
Die Suche nach GUT-Monopolen
406
406
407
9
Die Suche nach dunkler Materie im Kosmos
416
9.1
9.1.1
9.1.2
9.1.3
Hinweise auf die Existenz dunkler Materie
Rotationskurven von Galaxien
Die Dynamik von Galaxienhaufen
Hinweise aus der Kosmologie
418
418
423
424
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
Kandidaten für dunkle Materie
Die kosmologische Konstante, MOND-Theorie, zeitabhängige
Gravitationskonstante
Baryonische dunkle Materie
Nicht-baryonische dunkle Materie
428
430
431
9.3
9.3.1
9.3.2
9.3.3
Experimente zum Nachweis dunkler Materie
Experimente zum Nachweis des Axions
Der Nachweis von WIMP's
Suche nach Quark-Nuggets (Nukleariten)
441
442
445
451
i
428
8
Inhalt
10
Fraktionell geladene Teilchen
452
10.1
Das Quark-Confinement
452
10.2
10.2.1
10.2.2
10.2.3
10.2.4
Experimente zur Suche nach freien Quarks
Der Millikan-Versuch
Erzeugung freier Quarks.an Beschleunigern
Die Suche in der kosmischen Strahlung
Die Suche nach fraktionell geladenen Teilchen in Materie . . .
453
453
455
456
459
11
Fünfte Kraft: Theoretische Erwartungen und experimenteller
Status
468
11.1
Einleitung
11.2
11.2.1
11.2.2
11.2.3
11.2.4
Theoretische Erwartungen
468
Das Aquivalenzprinzip
,
469
Das Yukawa-Potential in Bosonenaustausch-Modellen . . . . . 471
Baryonenzahlabhängige fünfte Kraft .
474
Quantentheorien der Gravitation
476
11.3
11.3.1
11.3.2
11.3.3
Die experimentelle Suche nach einer fünften Kraft
Das geophysikalische Fenster
Die Überprüfung des l/r 2 -Gesetzes
Substanzabhängigkeit der Gravitation . . . . »
478
478
479
485
12
Zeitabhängigkeit von Naturkonstanten
499
12.1
Einleitung
499
12.2
Vorhersagen der Theorie
503
468
12.3
Experimente zur Suche nach der Zeitabhängigkeit von Naturkonstanten
12.3.1 Die Auslegung von Experimenten
12.3.2 Experimente zur gegenwärtigen Variation
12.3.3 Experimente zu früheren Variationen
508
508
509
515
12.4
524
Abschließende Bemerkungen und Ausblick ,
Literaturverzeichnis
526
Quellennachweis
565
Sachverzeichnis
566