Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik (eBook)

Hartmut Machner (Autor)

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2024 | 2. Auflage
978 Seiten
Wiley-VCH GmbH (Verlag)
978-3-527-84653-5 (ISBN)

Infos

Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik

Integrierte Darstellung von Kern- und Elementarteilchenphysik - mit neuen Erkenntnissen zur elektroschwachen Wechselwirkung, zum Higgs-Boson und zu Quark-Gluon-Plasmen

Kern- und Elementarteilchenphysik wird an deutschen Universitäten im zweiten oder dritten Studienjahr im Rahmen der Kursvorlesung Experimentalphysik oder als Wahlpflichtfach angeboten. Inhaltlich im Mittelpunkt stehen die Eigenschaften und Wechselwirkungen der Bestandteile von Atomkernen wie Neutronen und Protonen und den noch kleineren Elementarteilchen wie Quarks und anderen Teilchen, die im sogenannten Standardmodell zusammengefasst sind.

Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik beschreibt die Grundlagen der Kern- und Elementarteilchenphysik einheitlich, da viele Phänomene und Methoden in beiden Bereichen eine wichtige Rolle spielen. Der Inhalt umfasst alle wichtigen Themengebiete, von den theoretischen und konzeptionellen Grundlagen bis hin zu experimentellen Methoden dieser Disziplin.

Mit 169 anspruchsvollen Aufgaben zur Lösung im Selbststudium oder unter Anleitung im Übungsbetrieb eignet sich das Lehrbuch für Studierende zur Prüfungsvorbereitung ebenso wie zur Vorbereitung auf Forschungsarbeiten dank zahlreicher Verweise auf Originalliteratur und die Entwicklungen an den neuesten Beschleunigern.

Nach Studium und Promotion an der Universität Bonn begann Hartmut Machner eine Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Forschungszentrum Jülich. Es folgten eine Vertretungsprofessur an der Universität Bremen und eine Gastprofessur an der University of Witwatersrand in Johannesburg, Südafrika. Hartmut Machner begann seine Vorlesungstätigkeit 1994 an der Universität Duisburg-Essen, von der er im Jahr 2000 zum Honorarprofessor ernannt wurde.

• Fachbuch-Bestseller: Physik (Nr. 8/2024) — Platz 2
• Fachbuch-Bestseller: Physik (Nr. 7/2024) — Platz 7

Inhalt

HISTORISCHE ANFÄNGE
Aufgaben

GLOBALE EIGENSCHAFTEN VON KERNEN UND NUKLEONEN
Massen, Bindung
Streuexperimente
Quantenmechanik der Streuung
Elastische Elektronenstreuung an Kernen
Streuung leichter Ionen an Kernen
Elektromagnetische Momente
Ladungsverteilung der Nukleonen
Partonen
Partialwellenzerlegung
Alpha-Zerfall
Halbklassische Beschreibung
Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung
Aufgaben

KERNMODELLE
Fermi-Gas-Modell
Tröpfchenmodell
Das Schalenmodell
Deformierte Kerne
Das optische Modell
Einteilchen-Anregungen
Kollektive Anrungen
Aufgaben

UNGEBUNDENE SYSTEME, SYMMETRIEN
Resonanzen in Kernen
Riesenresonanzen
Erhaltungsgrößen
Eigenschaften der Feldteilchen
Empirische Erhaltungssätze
Das Pi-Nukleon-System
Resonanzen im Pi-Pi System
Die Strangeness
Eta-Zerfälle und die C-Konjugation
Aufgaben

QUARKONIA UND DIE STARKE WECHSELWIRKUNG
Multipletts leichter Quarks
Schwere Quarks
QCD, Jets und Gluonen
Struktur der Nukleonen
Chirale Störungstheorie
Streuung von Hadronen bei hohen Energien
Aufgaben

DIE ELEKTROSCHWACHE WECHSELWIRKUNG
Leptonen
Der Nukleare Beta-Zerfall, Fermi's Theorie
Verletzung der Paritätserhaltung, Helizität der Leptonen
Die V-A-Wechselwirkung
Test der V-A-Theorie
Der neutrale, schwache Strom
Die Feldbosonen der schwachen Wechselwirkung
Schwache Zerfälle von Teilchen mit Strangeness
Verallgemeinerung auf sechs Quarks
Die Vereinheitlichung der elektrischen und der schwachen Wechselwirkung
Eichinvarianz
Oszillation, CP-Verletzung
Neutrinos
Aufgaben

SUCHE NACH DEM HIGGS BOSON
Frühe Suchen
Blick durchs Schlüsselloch
Produktions- und Zerfallskanäle
Experimentelle Prerequisite
Die Entdeckung des Higgs Bosons
Aufgaben

KERNE IN EXOTISCHEN ZUSTÄNDEN
Hyperkerne
Mesonische Atome
Schwerionenphysik bei mittleren Energien
Hoch relativistische Schwerionenreaktionen
Nukleares Brennen, Neutronensterne
Aufgaben

ANHANG

A Fourier Transformationen
B Die Raum-Zeit
C Kinematik und Phasenraum
D Addition von Drehimpulsen
E Die Dirac-Gleichung
F Matrixelemente aus Feynman-Graphen
G Generatoren für die Gruppe SU(3)
H Quantenzahlen der Mesonen
I Teilchen im Standardmodell

Literaturverzeichnis
Index

Textauszug

1. Cover
2. Titelblatt
3. Urheberrechte
4. Vorwort
5. 1 Historische Anfänge
   1. 1.1 Aufgaben
6. 2 Globale Eigenschaften von Kernen und Nukleonen
   1. 2.1 Massen, Bindung
   2. 2.2 Streuexperimente
      1. 2.2.1 Die Methode
      2. 2.2.2 Streuung an einer harten Kugel
      3. 2.2.3 Begriffe und Einheiten
   3. 2.3 Quantenmechanik der Streuung
      1. 2.3.1 Die Born’sche Näherung
      2. 2.3.2 Die Eikonal-Näherung
      3. 2.3.3 Die Rutherford-Streuung
   4. 2.4 Elastische Elektronenstreuung an Kernen
      1. 2.4.1 Formfaktoren und Mott-Streuung
      2. 2.4.2 Ladungsverteilung von Kernen
   5. 2.5 Streuung leichter Ionen an Kernen
      1. 2.5.1 Das Kastenpotential
      2. 2.5.2 Materieverteilung
   6. 2.6 Elektromagnetische Momente
      1. 2.6.1 Magnetische Momente
      2. 2.6.2 Elektrische Quadrupolmomente
   7. 2.7 Ladungsverteilung der Nukleonen
   8. 2.8 Partonen
   9. 2.9 Partialwellenzerlegung
      1. 2.9.1 Wirkungsquerschnitte der elastischen Streuung
      2. 2.9.2 Totaler Wirkungsquerschnitt
   10. 2.10 α-Zerfall
       1. 2.10.1 Gamow’sches Modell der Potentialdurchtunnelung
       2. 2.10.2 Spektroskopische Faktoren
       3. 2.10.3 Protonen-Radioaktivität
       4. 2.10.4 Cluster-Radioaktivität
   11. 2.11 Halbklassische Beschreibung
   12. 2.12 Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung
       1. 2.12.1 Das Deuteron
          1. 2.12.1.1 Einfache Beschreibung
          2. 2.12.1.2 Einfluss des Spins
          3. 2.12.1.3 Momente und Tensorkraft
       2. 2.12.2 Nukleon-Nukleon-Streuung
          1. 2.12.2.1 Das LS-Potential
          2. 2.12.2.2 Streuung bei kleinen Energien
       3. 2.12.3 Feld-theoretische Beschreibung der Wechselwirkungen
          1. 2.12.3.1 Das Bosonen-Austauschpotential
   13. 2.13 Aufgaben
7. 3 Kernmodelle
   1. 3.1 Fermi-Gas-Modell
   2. 3.2 Tröpfchenmodell
   3. 3.3 Das Schalenmodell
      1. 3.3.1 Sphärische Potentiale
      2. 3.3.2 Spin-Bahn-Wechselwirkung
      3. 3.3.3 Restwechselwirkung
         1. 3.3.3.1 Die Paarwechselwirkung
         2. 3.3.3.2 Besetzungszahlen
   4. 3.4 Deformierte Kerne
   5. 3.5 Das optische Modell
   6. 3.6 Einteilchen-Anregungen
   7. 3.7 Kollektive Anregungen
      1. 3.7.1 Vibrationen
      2. 3.7.2 Rotierende Kerne
      3. 3.7.3 Transurane und Spaltung
   8. 3.8 Aufgaben
8. 4 Ungebundene Systeme, Symmetrien
   1. 4.1 Resonanzen in Kernen
   2. 4.2 Riesenresonanzen
   3. 4.3 Erhaltungsgrößen
      1. 4.3.1 Raum-Zeitliche Verschiebungen
      2. 4.3.2 Rotation
      3. 4.3.3 Halbzahlige Spins
      4. 4.3.4 Die Parität /symbfcal⁢P
      5. 4.3.5 Die Zeitumkehr /symbfcal⁢T
      6. 4.3.6 Der Isospin
   4. 4.4 Eigenschaften der Feldteilchen
      1. 4.4.1 Die Entdeckung des Pions
      2. 4.4.2 Spin und Parität der Pionen
      3. 4.4.3 Isospin der Pionen
      4. 4.4.4 Spin und Parität des Photons
      5. 4.4.5 Schwellenproduktionen
   5. 4.5 Empirische Erhaltungssätze
      1. 4.5.1 Ladungserhaltung
      2. 4.5.2 Folgerungen aus der Existenz und aus dem β-Zerfall des Neutrons
   6. 4.6 Das /symbfit⁢π-Nukleon-System
      1. 4.6.1 Die /symbfit⁢π-Nukleon-Wechselwirkung
      2. 4.6.2 Nukleonenresonanzen
   7. 4.7 Resonanzen im /symbfit⁢π−π-System
      1. 4.7.1 Zweipionen-Systeme
      2. 4.7.2 Dreipionen-Systeme
   8. 4.8 Die Strangeness
   9. 4.9 /symbfit⁢η-Zerfälle und die /symbfcal⁢C-Konjugation
   10. 4.10 Aufgaben
9. 5 Quarkonia und die starke Wechselwirkung
   1. 5.1 Multipletts leichter Quarks
      1. 5.1.1 Anordnungen in Multipletts, Quarks
      2. 5.1.2 Quarkmassen
         1. 5.1.2.1 Hyperfeinwechselwirkung
         2. 5.1.2.2 Coulomb-Effekte
         3. 5.1.2.3 Magnetische Momente
      3. 5.1.3 Farbe
      4. 5.1.4 Quarklinien
   2. 5.2 Schwere Quarks
      1. 5.2.1 Die Entdeckung des Charms
      2. 5.2.2 Die Entdeckungen des Bottom- und des Top-Quarks
   3. 5.3 QCD, Jets und Gluonen
      1. 5.3.1 Quark-Quark-Potential
      2. 5.3.2 Die laufende Kopplungskonstante
      3. 5.3.3 Das Saitenmodell
      4. 5.3.4 Nichtresonante q⁢q¯-Erzeugung
      5. 5.3.5 Gluonenabstrahlung
      6. 5.3.6 Die Gluon-Gluon-Wechselwirkung
   4. 5.4 Struktur der Nukleonen
      1. 5.4.1 Skaleninvarianz
      2. 5.4.2 Das Quark-Parton-Modell
      3. 5.4.3 Neutrinostreuung
      4. 5.4.4 Skalenbrechung und Impulsverteilung der Gluonen
   5. 5.5 Chirale Störungstheorie
      1. 5.5.1 Chiraler Grenzfall
      2. 5.5.2 Partiell erhaltener axialer Strom
      3. 5.5.3 π⁢π-Streuung
      4. 5.5.4 Offene Probleme
   6. 5.6 Streuung von Hadronen bei hohen Energien
   7. 5.7 Aufgaben
10. 6 Die elektroschwache Wechselwirkung
    1. 6.1 Leptonen
       1. 6.1.1 Eigenschaften geladener Leptonen
          1. 6.1.1.1 Eigenschaften des Elektrons
          2. 6.1.1.2 Eigenschaften des Myons
          3. 6.1.1.3 Eigenschaften des Taus
       2. 6.1.2 Die Neutrino-Hypothese
    2. 6.2 Der nukleare β-Zerfall, Fermi’s Theorie
    3. 6.3 Verletzung der Paritätserhaltung, Helizität der Leptonen
       1. 6.3.1 Das Wu-Experiment
       2. 6.3.2 Der Zerfall des Λ-Hyperons
       3. 6.3.3 Die Helizität der Leptonen
    4. 6.4 Die V⁢−⁢A-Wechselwirkung
    5. 6.5 Test der V−A-Theorie
    6. 6.6 Der neutrale, schwache Strom
    7. 6.7 Die Feldbosonen der schwachen Wechselwirkung
    8. 6.8 Schwache Zerfälle von Teilchen mit Strangeness
    9. 6.9 Verallgemeinerung auf sechs Quarks
    10. 6.10 Die Vereinheitlichung der elektrischen und der schwachen Wechselwirkung
    11. 6.11 Eichinvarianz
        1. 6.11.1 Nicht-Abel’sche Eichtransformationen
           1. 6.11.1.1 Eichinvarianz in der QED
           2. 6.11.1.2 Isospin-Invarianz
           3. 6.11.1.3 Eichfelder der Gruppe S⁢U⁢(3)
        2. 6.11.2 Spontane Brechung der globalen Symmetrie: Goldstone-Mode
        3. 6.11.3 Spontane Brechung der lokalen Symmetrie: Higgs-Mode
        4. 6.11.4 Higgs-Mechanismus und Isospin
        5. 6.11.5 Tests des Standardmodells
           1. 6.11.5.1 Eigenschaften der Z Zerfälle
           2. 6.11.5.2 Test der QED
           3. 6.11.5.3 Zwei Fermionen Endzustand
        6. 6.11.6 Untersuchungen zur elektroschwachen Wechselwirkung bei LEP II Energien
    12. 6.12 Oszillationen, C⁢P-Verletzung
        1. 6.12.1 Das Zweizustandsproblem
        2. 6.12.2 Die neutralen Kaonen
        3. 6.12.3 Oszillation und Regeneration
        4. 6.12.4 Verletzung der C⁢P-und der T-Invarianz
           1. 6.12.4.1 Zerfälle neutraler Kaonen
           2. 6.12.4.2 Verletzung der

• Erscheint lt. Verlag: 4.6.2024
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Atom- / Kern- / Molekularphysik
• Schlagworte: Chemie • Energie • Kernenergie • Kernphysik • Kern- u. Hochenergiephysik • Kern- u. Radiochemie • Physik
• ISBN-10: 3-527-84653-0 / 3527846530
• ISBN-13: 978-3-527-84653-5 / 9783527846535