Elementarteilchenphysik: von den Grundlagen zu den modernen Experimenten ; mit 51 Tabellen und 88 Übungen mit Lösungshinweisen
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2006
|
| Ausgabe: | 2., aktualisierte und überarb. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Springer-Lehrbuch
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | 1. Aufl. u.d.T.: Teilchenphysik Auch als Internetausgabe |
| Beschreibung: | XII, 496 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3540231439 9783540231431 |
Internformat
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|---|---|
| adam_text | ,• • Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1
1.1 Strukturen der Materie ................................... 3
1.1.1 Teilchen und Kräfte ................................. 3
1.1.2 Abstandsskalen und Energieskalen .................... 6
1.1.3 Intermezzo: Schreibweise und Maßsysteme ............. 14
1.2 Die Elementarteilchen .................................... 17
1.2.1 Antimaterie ....................................... 18
1.2.2 Leptonen ......................................... 20
1.2.3 Hadronen ......................................... 26
1.2.4 Quarks ........................................... 32
1.2.5 Felder und Wechselwirkungen ........................ 37
1.2.6 Was ist ein Elementarteilchen? ....................... 42
1.3 Wirkungsquerschnitte und Zerfallsraten .................... 43
1.3.1 Der Wirkungsquerschnitt ............................ 43
1.3.2 Zerfallsraten ....................................... 46
1.4 Teilchenbeschleuniger .................................... 48
1.4.1 Linearbeschleuniger ................................ 48
1.4.2 Das Zyklotron ..................................... 51
1.4.3 Das Synchrotron ................................... 52
a) Prinzip ........................................ 52
b) Fokussierung ................................... 55
c) Magnete ....................................... 61
1.4.4 Speicherringe ...................................... 62
1.5 Detektoren .............................................. 64
1.5.1 Detektoren an
1.5.2 Spurenkammern .................................... 69
a) Detektoren mit Gasverstärkung .................... 69
b) Festkörperzähler ................................ 71
1.5.3 Kalorimeter ....................................... 72
a) Elektromagnetische Kalorimeter.................... 72
b) Hadronische Kalorimeter.......................... 74
1.5.4 Blasenkammer ..................................... 74
2 Die Streumatrix und ihre Symmetrien
2.1 Die Streumatrix .......................................... 79
2.1.1 Wirkungsquerschnitte und Streuamplitude .............. 80
2.1.2 Zerfallsraten ....................................... 85
2.1.3 Symmetrien der 5-Matrix ............................ 87
2.1.4 Das optische Theorem .............................. 90
2.1.5 Anhang über die
2.2 Drehungen in drei Dimensionen ............................ 92
2.2.1 Drehungen ........................................ 92
2.2.2 Die Drehgruppe .................................... 94
2.2.3 Darstellungen der Drehgruppe ........................ 96
2.2.4 Drehgruppe und halbzahlige Spins .................... 100
2.2.5 Produkte von Darstellungen .......................... 102
X
2.3 Drehungen und Verschiebungen in vier Dimensionen ......... 105
2.3.1 Lorentz-Transformationen ........................... 105
2.3.2 Die
2.3.3 Darstellungen der
2.4 Anwendungen ........................................... 110
2.4.1 Kinematik der Zwei-Körper-Reaktionen ................ 110
2.4.2 Zwei-Körper-Zerfälle ............................... 113
2.4.3 Partialwellenentwicklung der Streuamplitude ........... 115
2.4.4 Resonanzen in Formationsexperimenten ................ 116
2.4.5 Pion-Resonanzen ................................... 124
2.4.6 Der Spin des Photons ............................... 125
2.4.7 Der Spin des neutralen
2.5 Spiegelungen und Paritätsinvarianz ........................ 128
2.5.1 Die Paritätstransformation ........................... 128
2.5.2 Die Parität des Photons, des p-Mesons und der Pionen ___ 132
2.5.3 Spin und Parität des ^-Mesons ....................... 134
2.5.4 Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung ..... 135
2.6 Die Zeitumkehr .......................................... 138
2.6.1 Zeitumkehr und das Prinzip des detaillierten Gleichgewichts 138
2.6.2 Invarianz der Wechselwirkungen unter Zeitspiegelungen .. 140
2.7 Innere Symmetrien
2.7.1 Globale Phasentransformationen ...................... 142
2.7.2 Die Teilchen-Antiteilchen-Konjugation ................ 144
2.7.3 Lang- und kurzlebige neutrale tf-Mesonen ............. 147
2.7.4 CP-Verletzung im/^-Zerfall ........................ 152
2.8 Innere Symmetrien
2.8.1 Die Form der
2.8.2 Darstellungen ...................................... 162
2.8.3 Antiteilchen in der
2.8.4 Die Isoinvarianz der Kernkraft ........................ 165
2.8.5 Isospin und Quarks ................................. 167
2.8.6 Reguläre Darstellung und G-Parität ................... 168
2.8.7 Isospin und ^-Zerfälle .............................. 169
3 Elementare
Quantenelektrodynamik
3.1 Dirac-Gleichung und Feynman-Regeln ...................... 175
3.1.1 Die Dirac-Gleichung ................................ 175
3.1.2 Lösungen der freien Dirac-Gleichung .................. 179
3.1.3 Feynman-Regeln ................................... 189
3.1.4 Die Renormierung und die laufende Kopplung .......... 191
3.2 Basis-Reaktionen der QED ................................ 198
3.2.1 e~e+-Vernichtung in
3.2.2 Die Elektron-Myon-Streuung ......................... 202
3.2.3 Bhabha-und M0ller-Streuung ........................ 207
3.2.4 Anwendungen der Streuformeln ...................... 210
a) Energieverlust geladener Teilchen .................. 210
b) Der mittlere Winkel der Vielfachstreuung ........... 212
3.2.5 Die Compton-Streuung .............................. 214
3.3 Prozesse höherer Ordnung ................................ 221
3.3.1 Die Bremsstrahlung ................................. 221
a) Die Weizsäcker-Williams-Methode ................. 222
b) Der Wirkungsquerschnitt der Bremsstrahlung ........ 224
c) Energieverlust durch Bremsstrahlung ............... 227
3.3.2 Strahlungskorrekturen zur Mott-Streuung .............. 228
tnhaltmrzelàuih
4
4.1
4.1.1 Das Statistik-Problem ............................... 236
4.1.2 Die Gruppe St/3 ................................... 237
4.1.3 Mesonen als ¿^-Zustände ............................ 241
4.1.4 Baryonen als ^-Zustände .......................... 242
4.2 Farbdynamik ............................................ 246
4.2.1 Gluonen und das Potential der QCD ................... 246
4.2.2 Die laufende Kopplungskonstante ..................... 252
4.3 Der Aufbau der Hadronen ................................. 255
4.3.1 Die Werte von Spin und Parität im Quarkmodell ......... 256
4.3.2 Hadronen aus u- und rf-Quarks ....................... 258
4.3.3 Die Massen der Quarks .............................. 263
4.3.4 Hadronen aus w-, d- und i-Quarks ..................... 264
4.4 Die chromodynamische Hyperfeinstruktur .................. 273
4.4.1 Die Aufspaltung für Hadronen aus u- und d-Quarks ...... 274
4.4.2 Hyperfeinstruktur und „seltsame Quarks .............. 275
4.5 Elektromagnetische und starke Zerfälle von Hadronen ....... 277
4.5.1
4.5.2 Zerfalle der Vektormesonen in Leptonenpaare ........... 279
4.5.3
4.5.4 Zerfälle in Hadronen ................................ 285
4.6 Neue schwere Quarks ..................................... 288
4.6.1 Das Vektormeson J/f{ S) ........................... 288
4.6.2 DieT-Mesonen ...„............................... 291
4.6.3 Quarkonium, cc und bb .............................. 293
4.6.4 Hadronen mit
5 Elektronen und Quarks
5.1 Elektron-Positron-Annihilation in Hadronen ................ 305
5.1.1 Der Wirkungsquerschnitt ............................ 305
5.1.2 QCD-Korrekturen .................................. 308
5.1.3 Der Endzustand .................................... 312
5.2 Die elastische Elektron-Nukleon-Streuung ................... 318
5.2.1 Der Wirkungsquerschnitt ............................ 318
5.2.2 Experimente zur elastischen Elektronenstreuung ......... 320
5.2.3 DasCT-System .................................... 322
5.3 Inelastische Elektron-Nukleon-Streuung .................... 324
5.3.1 Der Wirkungsquerschnitt im Quarkmodell .............. 324
5.3.2 Allgemeine Form des Wirkungsquerschnitts ............ 328
5.3.3 Modelle und Ergebnisse für Ff ...................... 331
5.3.4 QCD-Korrekturen .................................. 335
5.3.5 Der Endzustand .................................... 343
5.4 Zwei-Photonen-Physik .................................... 345
5.4.1 Resonanzerzeugung ................................ 346
5.4.2 Die Strukturfunktion des Photons ..................... 349
6 Von der schwachen zur elektroschwachen Wechselwirkung
6.1 Schwache Wechselwirkung von Leptonen ................... 355
6.1.1 Quasielastische v/te~-Streuung ....................... 355
6.1.2 Der Zerfall des Myons .............................. 359
6.2 Schwache Wechselwirkung von Quarks ..................... 363
6.2.1 Der Cabibbo-Winkel ................................ 363
Xli itthakÉmmkftñis
6.2.2 Der ^-Zerfall des
6.2.3 Der Zerfall
6.2.4 Zerfälle von
6.2.5 Der Zerfall des top-Quarks ........................... 374
6.2.6 Inelastische Neutrino-Nukleon-Streuung ............... 374
6.3 Die elektroschwache Wechselwirkung ....................... 379
6.3.1 Die Entdeckung der neutralen Ströme .................. 379
6.3.2 Elektroschwache Wechselwirkung der Leptonen ......... 380
6.3.3 Elektroschwache Wechselwirkung von Quarks .......... 386
7 Das Standard-Modell
7.1 Die Neutrino-Elektron-Streuung ........................... 391
7.2 Die e^-Vernichtung in Fermion-Antifermion-Paare ........ 395
7.2.1 Die Bornsche Näherung ............................. 395
7.2.2 Strahlungskorrekturen ............................... 400
7.3 Die Elektron-Nukleon-Streuung
bei Berücksichtigung des Z- und W-Austausches ............. 402
7.4 Die Erzeugung des W-Bosons in Quark-Antiquark-Stößen ___ 405
7.5 Die Produktion des top-Quarks
in Hadron-Hadron-Stößen ................................. 408
7.6 Intermezzo: Die Hadron-Hadron-Streuung .................. 410
7.7 Higgs-Bosonen ........................................... 415
7.8 Cf-Verletzung im Standard-Modell ........................ 424
7.8.1 Die CKM-Matrix ................................... 424
7.8.2 CP-Verletzung und ¿»-Quarks ........................ 429
7.9 Neutrinomassen und Neutrino-Oszillationen ................. 434
7.10 Jenseits des Standard-Modells ............................. 447
7.10.1 Majorana-Neutrinos ................................ 447
7.10.2 Das Parameter-Problem ............................. 453
7.10.3 Die große Vereinheitlichung .......................... 455
7.10.4 Hierarchie und Feinabstimmung ...................... 461
7.10.5 Die supersymmetrische Erweiterung des Standard-Modells 463
Lösungshinweise zu den Übungsaufgaben ........................ 471
Literatur .......................................................... 485
Sachverzeichnis ................................................... 493
|
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',• • Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1
1.1 Strukturen der Materie . 3
1.1.1 Teilchen und Kräfte . 3
1.1.2 Abstandsskalen und Energieskalen . 6
1.1.3 Intermezzo: Schreibweise und Maßsysteme . 14
1.2 Die Elementarteilchen . 17
1.2.1 Antimaterie . 18
1.2.2 Leptonen . 20
1.2.3 Hadronen . 26
1.2.4 Quarks . 32
1.2.5 Felder und Wechselwirkungen . 37
1.2.6 Was ist ein Elementarteilchen? . 42
1.3 Wirkungsquerschnitte und Zerfallsraten . 43
1.3.1 Der Wirkungsquerschnitt . 43
1.3.2 Zerfallsraten . 46
1.4 Teilchenbeschleuniger . 48
1.4.1 Linearbeschleuniger . 48
1.4.2 Das Zyklotron . 51
1.4.3 Das Synchrotron . 52
a) Prinzip . 52
b) Fokussierung . 55
c) Magnete . 61
1.4.4 Speicherringe . 62
1.5 Detektoren . 64
1.5.1 Detektoren an
1.5.2 Spurenkammern . 69
a) Detektoren mit Gasverstärkung . 69
b) Festkörperzähler . 71
1.5.3 Kalorimeter . 72
a) Elektromagnetische Kalorimeter. 72
b) Hadronische Kalorimeter. 74
1.5.4 Blasenkammer . 74
2 Die Streumatrix und ihre Symmetrien
2.1 Die Streumatrix . 79
2.1.1 Wirkungsquerschnitte und Streuamplitude . 80
2.1.2 Zerfallsraten . 85
2.1.3 Symmetrien der 5-Matrix . 87
2.1.4 Das optische Theorem . 90
2.1.5 Anhang über die
2.2 Drehungen in drei Dimensionen . 92
2.2.1 Drehungen . 92
2.2.2 Die Drehgruppe . 94
2.2.3 Darstellungen der Drehgruppe . 96
2.2.4 Drehgruppe und halbzahlige Spins . 100
2.2.5 Produkte von Darstellungen . 102
X
2.3 Drehungen und Verschiebungen in vier Dimensionen . 105
2.3.1 Lorentz-Transformationen . 105
2.3.2 Die
2.3.3 Darstellungen der
2.4 Anwendungen . 110
2.4.1 Kinematik der Zwei-Körper-Reaktionen . 110
2.4.2 Zwei-Körper-Zerfälle . 113
2.4.3 Partialwellenentwicklung der Streuamplitude . 115
2.4.4 Resonanzen in Formationsexperimenten . 116
2.4.5 Pion-Resonanzen . 124
2.4.6 Der Spin des Photons . 125
2.4.7 Der Spin des neutralen
2.5 Spiegelungen und Paritätsinvarianz . 128
2.5.1 Die Paritätstransformation . 128
2.5.2 Die Parität des Photons, des p-Mesons und der Pionen _ 132
2.5.3 Spin und Parität des ^-Mesons . 134
2.5.4 Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung . 135
2.6 Die Zeitumkehr . 138
2.6.1 Zeitumkehr und das Prinzip des detaillierten Gleichgewichts 138
2.6.2 Invarianz der Wechselwirkungen unter Zeitspiegelungen . 140
2.7 Innere Symmetrien
2.7.1 Globale Phasentransformationen . 142
2.7.2 Die Teilchen-Antiteilchen-Konjugation . 144
2.7.3 Lang- und kurzlebige neutrale tf-Mesonen . 147
2.7.4 CP-Verletzung im/^-Zerfall . 152
2.8 Innere Symmetrien
2.8.1 Die Form der
2.8.2 Darstellungen . 162
2.8.3 Antiteilchen in der
2.8.4 Die Isoinvarianz der Kernkraft . 165
2.8.5 Isospin und Quarks . 167
2.8.6 Reguläre Darstellung und G-Parität . 168
2.8.7 Isospin und ^-Zerfälle . 169
3 Elementare
Quantenelektrodynamik
3.1 Dirac-Gleichung und Feynman-Regeln . 175
3.1.1 Die Dirac-Gleichung . 175
3.1.2 Lösungen der freien Dirac-Gleichung . 179
3.1.3 Feynman-Regeln . 189
3.1.4 Die Renormierung und die laufende Kopplung . 191
3.2 Basis-Reaktionen der QED . 198
3.2.1 e~e+-Vernichtung in
3.2.2 Die Elektron-Myon-Streuung . 202
3.2.3 Bhabha-und M0ller-Streuung . 207
3.2.4 Anwendungen der Streuformeln . 210
a) Energieverlust geladener Teilchen . 210
b) Der mittlere Winkel der Vielfachstreuung . 212
3.2.5 Die Compton-Streuung . 214
3.3 Prozesse höherer Ordnung . 221
3.3.1 Die Bremsstrahlung . 221
a) Die Weizsäcker-Williams-Methode . 222
b) Der Wirkungsquerschnitt der Bremsstrahlung . 224
c) Energieverlust durch Bremsstrahlung . 227
3.3.2 Strahlungskorrekturen zur Mott-Streuung . 228
tnhaltmrzelàuih
4
4.1
4.1.1 Das Statistik-Problem . 236
4.1.2 Die Gruppe St/3 . 237
4.1.3 Mesonen als ¿^-Zustände . 241
4.1.4 Baryonen als ^-Zustände . 242
4.2 Farbdynamik . 246
4.2.1 Gluonen und das Potential der QCD . 246
4.2.2 Die laufende Kopplungskonstante . 252
4.3 Der Aufbau der Hadronen . 255
4.3.1 Die Werte von Spin und Parität im Quarkmodell . 256
4.3.2 Hadronen aus u- und rf-Quarks . 258
4.3.3 Die Massen der Quarks . 263
4.3.4 Hadronen aus w-, d- und i-Quarks . 264
4.4 Die chromodynamische Hyperfeinstruktur . 273
4.4.1 Die Aufspaltung für Hadronen aus u- und d-Quarks . 274
4.4.2 Hyperfeinstruktur und „seltsame" Quarks . 275
4.5 Elektromagnetische und starke Zerfälle von Hadronen . 277
4.5.1
4.5.2 Zerfalle der Vektormesonen in Leptonenpaare . 279
4.5.3
4.5.4 Zerfälle in Hadronen . 285
4.6 Neue schwere Quarks . 288
4.6.1 Das Vektormeson J/f{\ S) . 288
4.6.2 DieT-Mesonen .„. 291
4.6.3 Quarkonium, cc und bb . 293
4.6.4 Hadronen mit
5 Elektronen und Quarks
5.1 Elektron-Positron-Annihilation in Hadronen . 305
5.1.1 Der Wirkungsquerschnitt . 305
5.1.2 QCD-Korrekturen . 308
5.1.3 Der Endzustand . 312
5.2 Die elastische Elektron-Nukleon-Streuung . 318
5.2.1 Der Wirkungsquerschnitt . 318
5.2.2 Experimente zur elastischen Elektronenstreuung . 320
5.2.3 DasCT-System . 322
5.3 Inelastische Elektron-Nukleon-Streuung . 324
5.3.1 Der Wirkungsquerschnitt im Quarkmodell . 324
5.3.2 Allgemeine Form des Wirkungsquerschnitts . 328
5.3.3 Modelle und Ergebnisse für Ff" . 331
5.3.4 QCD-Korrekturen . 335
5.3.5 Der Endzustand . 343
5.4 Zwei-Photonen-Physik . 345
5.4.1 Resonanzerzeugung . 346
5.4.2 Die Strukturfunktion des Photons . 349
6 Von der schwachen zur elektroschwachen Wechselwirkung
6.1 Schwache Wechselwirkung von Leptonen . 355
6.1.1 Quasielastische v/te~-Streuung . 355
6.1.2 Der Zerfall des Myons . 359
6.2 Schwache Wechselwirkung von Quarks . 363
6.2.1 Der Cabibbo-Winkel . 363
Xli itthakÉmmkftñis
6.2.2 Der ^-Zerfall des
6.2.3 Der Zerfall
6.2.4 Zerfälle von
6.2.5 Der Zerfall des top-Quarks . 374
6.2.6 Inelastische Neutrino-Nukleon-Streuung . 374
6.3 Die elektroschwache Wechselwirkung . 379
6.3.1 Die Entdeckung der neutralen Ströme . 379
6.3.2 Elektroschwache Wechselwirkung der Leptonen . 380
6.3.3 Elektroschwache Wechselwirkung von Quarks . 386
7 Das Standard-Modell
7.1 Die Neutrino-Elektron-Streuung . 391
7.2 Die e^-Vernichtung in Fermion-Antifermion-Paare . 395
7.2.1 Die Bornsche Näherung . 395
7.2.2 Strahlungskorrekturen . 400
7.3 Die Elektron-Nukleon-Streuung
bei Berücksichtigung des Z- und W-Austausches . 402
7.4 Die Erzeugung des W-Bosons in Quark-Antiquark-Stößen _ 405
7.5 Die Produktion des top-Quarks
in Hadron-Hadron-Stößen . 408
7.6 Intermezzo: Die Hadron-Hadron-Streuung . 410
7.7 Higgs-Bosonen . 415
7.8 Cf-Verletzung im Standard-Modell . 424
7.8.1 Die CKM-Matrix . 424
7.8.2 CP-Verletzung und ¿»-Quarks . 429
7.9 Neutrinomassen und Neutrino-Oszillationen . 434
7.10 Jenseits des Standard-Modells . 447
7.10.1 Majorana-Neutrinos . 447
7.10.2 Das Parameter-Problem . 453
7.10.3 Die große Vereinheitlichung . 455
7.10.4 Hierarchie und Feinabstimmung . 461
7.10.5 Die supersymmetrische Erweiterung des Standard-Modells 463
Lösungshinweise zu den Übungsaufgaben . 471
Literatur . 485
Sachverzeichnis . 493 |
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