Kerne, Hadronen und Elementarteilchen: Eine kurze Einführung

302 Pages·2015·6.64 MB·German

by  Fritz W. Bopp (auth.)

Fritz W. Bopp
Kerne, Hadronen und
Elementarteilchen
Eine kurze Einführung
2. Auflage
Kerne, Hadronen und Elementarteilchen
Fritz W. Bopp
Kerne, Hadronen und
Elementarteilchen
Eine kurze Einführung
2. Auflage
Prof.Dr.FritzW.Bopp
UniversitätSiegen
Siegen,Deutschland
ISBN978-3-662-43666-0 ISBN978-3-662-43667-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-43667-7
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Vorwort
EinederbedeutendenEntwicklungeninderPhysikistdaszunehmendeVerständnis
subatomarerPhänomene.DiesubatomarePhysikgehörtheutezudenkanonischen
TeileneinesPhysikstudiums.AnvielenHochschulenwirddaherdazueineeinfüh-
rendeVorlesungangeboten.DieersteAuflageentstandauseinemSkriptzusolchen
Vorlesungen.
DiesubatomarePhysikhatsichseitdererstenAuflagedeutlichverändert.Daich
dasKonzeptdesBuchesnachwie vorfürguthalte, habeich mich zueiner neuen
Auflageentschieden.
Viele Lehrbücher und Vorlesungen in Kern- und Teilchen-Physik versuchen,
Studenten in eine bestimmte Richtung zu motivieren. Dies ist sicherlich in einem
fortgeschrittenenStadiumdesStudiumsangebracht.ImBachelorBereichkanndies
zueinernichtausreichendbreitenAusbildungführen,unddasBuchversucht,dem
entgegenzuwirken.
Wie physikalischePhänomenezubeschreibensind, hängtvonderjeweils rele-
vantenEnergieskalaab.ImBuchwirdfürjedeSkalaeineknappeEinführungindie
jeweils benötigte Beschreibung gegeben. Auf diese Weise wird Gleichmäßigkeit
erreicht,undeswirdvermieden,GebietenfalschePrioritäteneinzuräumen.
DieListederinzwischenerforderlichenVeränderungenistlang,undichmöch-
te hier nur einige Punkte anführen. Das Kapitel über Hochenergiebeschleuniger
ist veraltet, viele der damals geplanten Beschleuniger wurden nicht realisiert. Die
realisierten neuen Beschleuniger öffneten neue Regionen in der Hadronen- und
SchwerionenphysikundvieleneueBeobachtungenundKonzeptesind dazuanzu-
führen.WieQuarkssichzuHadronenbinden,istheutebesserverstandenunderfor-
derteineausführlichereDiskussion.Erwähntwerdenmussauch,dassderAnwen-
dungsbereichderperturbativenQuantenchromodynamikinverschiedenenRichtun-
genmitneuenMethodenerweitertwerdenkonnte.
Der eigentliche Anlass der Neuauflage ist der experimentelle Nachweis des
Higgs-Teilchens,dasnatürlichnunausführlichbehandeltwerdenmuss.
V
VI Vorwort
Eine sorgfältige Überarbeitung der neuen Auflage führte zu einer sehr großen
ZahlvonKorrekturenundkleinerenVerbesserungen.Dabeimussichmichfürviele
nützlicheHinweiseundAnregungenbedanken.DadieZahlüberdieJahrezugroß
gewordenist,kannichdiesnichtnamentlichtun.
Siegen,März2014 FritzW.Bopp
Der Autor
Prof.Dr.FritzW.Bopp
Geboren 1945 in Hechingen, Studium an der Universität München, der Univer-
sity of Arizona und der University of Illinois. Promotion 1973 an der University
ofIllinois.WissenschaftlicheTätigkeitandenUniversitätenBielefeldundSiegen.
Habilitation 1978 an der Universität Siegen. Seit 1983 Professor an der Universi-
tät Siegen. Zahlreiche Forschungsaufenthaltean den ForschungszentrenCERN in
Genf, LAPP in Annecy und LPTHE in Orsay, und den Universitäten Leipzig und
Houston(UH).
VII
Inhaltsverzeichnis
1 GliederungnachdertypischenSkala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 EinführungindieKernphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 KurzehistorischeEinführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 DiewichtigstenFaktenderKernstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 ZusammensetzungderKerne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 GeometriederKerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.3 Kernmassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.4 Zwei-Nukleonen-Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 ModellederKernstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Semi-empirischeBeschreibungderBindungsenergievon
Kernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 DasThomas-Fermi-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.3 DasSchalenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.4 KurzeBetrachtungderKernmomente . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.5 KollektivesModell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.6 Cluster-und˛-Teilchen-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.7 Möglichkeiten,ModelleanbesonderenKernenzutesten. . 55
2.4 RadioaktiverZerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.1 MittlereLebensdauer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.2 DasexponentielleZerfallsgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.3 EinheitenfürdieRadioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4.4 Der(cid:2)-Zerfall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4.5 Derˇ-Zerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.4.6 Der˛-Zerfall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.4.7 ZerfalldurchKernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.5 AllgemeineBetrachtungenzumStreuprozess . . . . . . . . . . . . . 82
2.5.1 DefinitionvonLuminositätundWirkungsquerschnitt . . . . 82
2.5.2 StreuamplitudeundPartialwellenanalyse . . . . . . . . . . . 88
2.5.3 DasOptischeTheorem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.5.4 DieStrukturvonResonanzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
IX
X Inhaltsverzeichnis
2.6 ModellefürdieKernstreuung(Kernreaktion) . . . . . . . . . . . . . 95
2.6.1 Compound-Kern-Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.6.2 DasOptischeModell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.7 WichtigeBeispielekernphysikalischerProzesse . . . . . . . . . . . 100
2.7.1 KonzeptederKernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.7.2 KonzeptederFusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.7.3 DieEntstehungderElemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3 EinführungindieHadronenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.1 „Zoologie“derHadronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.1.1 DieHadronenderKernphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.1.2 Beschleuniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.1.3 Pion-Nukleon-Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.1.4 HadronischeResonanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.1.5 Flavor-Quantenzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.1.6 QuantenzahlendiskreterSymmetrien . . . . . . . . . . . . . . 134
3.1.7 FarbstrukturderHadronlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.1.8 Mesonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.1.9 Baryonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.1.10 Tetraquarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.1.11 EigenschaftenderQuark-Bindung . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.2 HadronischeStreuvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.2.1 Regge-Pol-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.2.2 TopologischeBetrachtungenundPomeranchuk-Pol. . . . . 168
3.2.3 HochenergetischeTeilchenproduktion(Teilchenstreuung) . 174
3.2.4 HochenergetischeTeilchenproduktion(Schwerionenstreu-
ung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4 EinführungindieLeptonen-undPartonenphysik . . . . . . . . . . . . 193
4.1 KurzeEinführungindieQuantenelektrodynamik. . . . . . . . . . . 194
4.1.1 DieKlein-Gordon-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.1.2 DieDirac-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
4.1.3 EinigeFaktenderrelativistischenStörungsrechnung . . . . 199
4.1.4 EinzentralerAspektbeimPfadintegral. . . . . . . . . . . . . 202
4.1.5 Feynman-Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.1.6 Elektron-Positron-VernichtunginMyonen . . . . . . . . . . 206
4.1.7 WichtigeQuerschnitteinderQED . . . . . . . . . . . . . . . 210
4.2 EinführungindieQuantenchromodynamik . . . . . . . . . . . . . . 217
4.2.1 DieFarbstrukturderQuantenchromodynamik . . . . . . . . 220
4.2.2 DieAnnihilationvoneCe(cid:2)zuQuarks . . . . . . . . . . . . . 224
4.2.3 TiefinelastischeStreuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.2.4 Drell-Yan-Streuung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
4.2.5 HadronischeStreuungenmitgroßenTransversalimpulsen . 235
4.2.6 Quantenchromodynamikund„weiche“Wechselwirkungen 236
Inhaltsverzeichnis XI
5 EinführungindiePhysikderschwachenBosonen . . . . . . . . . . . . 245
5.1 DieStrom-Strom-Wechselwirkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
5.1.1 GrundlegendeexperimentelleBeobachtungen . . . . . . . . 246
5.1.2 DieWechselwirkungmitgeladenenStrömen . . . . . . . . . 247
5.1.3 DasneutraleKaon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
5.1.4 CP-Verletzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
5.1.5 DieWechselwirkungmitneutralenStrömen . . . . . . . . . 258
5.2 DieWeinberg-Salam-Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.2.1 DasschwacheVektorboson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.2.2 DieSymmetriestrukturderelektroschwachenWechselwir-
kung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
5.2.3 DerNachweisderschwachenVektorbosonen. . . . . . . . . 264
6 EinführungindiePhysikderHiggs-Bosonen . . . . . . . . . . . . . . . 269
6.1 DasHiggs-BosonunddieschwachenVektorbosonen . . . . . . . . 269
6.1.1 WelcheFelderwerdenmindestensbenötigt? . . . . . . . . . 269
6.1.2 DiespontaneSymmetriebrechungdesHiggs-Feldes . . . . 271
6.1.3 DieHiggs-MassenderschwachenVektormesonen. . . . . . 273
6.2 DieEntdeckungdesHiggs-Bosons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
6.2.1 DerATLAS-Detektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
6.2.2 EinBeispielfüreinHiggs-Signal . . . . . . . . . . . . . . . . 278
6.3 DasHiggs-BosonunddieMassenderFermionen. . . . . . . . . . . 279
6.4 AusblickaufdiePhysikunterhalbderHiggs-BosonenMasse-Skala280
6.4.1 WasbestimmtdieMassenskaladesHiggs-Teilchens?. . . . 281
6.4.2 Kann die Physik bei kleineren Skalen symmetrischer
werden?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291