Einführung in die Elementarteilchenphysik

Frontmatter

1. Grundlagen aus der Atom- und Kernphysik

Zusammenfassung

Die Idee, daß die Materie aus kleinsten Teilchen zusammengesetzt ist, die sich nicht weiter zerlegen lassen, ist schon sehr alt. Demokrit (460 v. Chr.) sprach diesen Gedanken, soweit wir wissen, zum ersten Mal aus und nannte diese Teilchen Atome. Die Faszination dieser Idee besteht darin, daß sie den Menschen vor die Herausforderung stellt, alle Naturphänomene deduktiv aus der Existenz und der gegenseitigen Wirkung dieser kleinsten Teilchen zu verstehen.

Erich Lohrmann

2. Elektromagnetische Wechselwirkung

Zusammenfassung

Fliegt ein elektrisch geladenes Teilchen an einer anderen Ladung vorbei, so erfährt es eine Coulomb-Kraft und wird um einen Winkel θ aus seiner geraden Bahn abgelenkt. Dies nennt man elastische Coulomb-Streuung. Eine berühmte Anwendung stammt von Lord Rutherford, der 1911 aus Streuexperimenten mit α-Teilchen auf die Existenz des Atomkerns schloß, und diesen einfachen Spezialfall der Streuung eines Teilchens ohne Spin an einem starren Streuzentrum nennt man Rutherfordstreuung.

Erich Lohrmann

3. Experimentelle Hilfsmittel

Zusammenfassung

Fig. 3.1 zeigt eine Prinzip-Skizze für den Einsatz eines Szintillationszählers. Ein geladenes Teilchen durchquert den Szintillator Sz. Die Ionisationsenergie des Teilchens wird im Szintillator teilweise in Licht umgesetzt. In organischen Szintillatoren liegt dieses im UV, so daß man Zusätze braucht (Wellenlängenschieber), die das Spektrum ins Sichtbare verschieben, wo der Szintillator eine hohe Transparenz hat. Man unterscheidet organische und anorganische Szintillatoren, Tab. 3.1 zeigt einige charakteristische Daten.

Erich Lohrmann

4. Beschleuniger und Speicherringe

Zusammenfassung

Ein geladenes Teilchen erfährt beim Durchgang durch elektrische und magnetische Felder eine Kraft:

$$ \frac{d\bar{p}}{dt}=Q\left( \overrightarrow{v}\times \overrightarrow{B} \right)+Q\overrightarrow{E} $$

(4.1)

• wobei \( \overrightarrow{p}=m\overrightarrow{v}/\sqrt{1-{{v}^{2}}/{{c}^{2}}} \) (=Impuls)
• m = Ruhemasse des Teilchens (kg)
• Q = Ladung (As)
• \( \overrightarrow{v} \) = Geschwindigkeit (m/s)
• \( \overrightarrow{B} \) = magnetische Induktion (T)
• \( \overrightarrow{E} \) = elektrische Feldstärke (V/m).

Erich Lohrmann

5. Die elementaren Teilchen und ihre Wechselwirkungen

Zusammenfassung

In Abschn. 1.2 wurde ausgeführt, daß Teilchen einen Eigendrehimpuls (Spin) haben können. Die Größe des Spins J kann nach den Gesetzen der Quantenmechanik nur halb- oder ganzzahlige Vielfache von ħ betragen.

Erich Lohrmann

6. Quarkmodell der Hadronen

Zusammenfassung

Klassifizierung Mesonen sind gebundene Systeme aus einem Quark (q) und einem Antiquark (\(bar{q}\)). Das gebundene q\(bar{q}\)-System kann man klassifizieren nach dem Bahndrehimpuls ℓ und nach dem Gesamtspin der beiden Quarks. Jedes der Quarks hat Spin 1 /2 und diese beiden Spins können zu einem Gesamtspin S = 0 oder S = 1 kombinieren. Bahndreh- impuls ℓ und Spin S bilden nach den Gesetzen der Spinaddition den Gesamtdrehimpuls (Gesamtspin) J des q\(bar{q}\)-Systems. Neben dieser Klassifizierung der q\(bar{q}\)-Zustände in ℓ, S, J können die Wellenfunktionen auch verschiedene funktionelle Abhängigkeiten von Radial-abstand r haben, d. h. neben dem Grundzustand können radiale Anregungen auftreten. Nach diesen Merkmalen: ℓ, S, J, radiale Anregung, werden die q\(bar{q}\)-Zustände klassifiziert.

Erich Lohrmann

7. Quarks

Erich Lohrmann

8. Leptonen und Quantenelektrodynamik

Zusammenfassung

Leptonen sind Teilchen mit Spin 1/2. Sie haben keine starke Wechselwirkung. Experimente konnten bislang keine Struktur der Leptonen feststellen, d. h. innerhalb der Meßgenauigkeit verhalten sich die Leptonen wie punktförmige Teilchen. Tab. 8.1 gibt eine Übersicht. Eine entsprechende Tabelle gibt es für die Antileptonen \({{e}^{+}}{{\bar{v}}_{\operatorname{e}}},\ {{\mu }^{+}}{{\bar{v}}_{\mu }},\ {{\tau }^{+}}{{\bar{v}}_{\tau }}.\)

Erich Lohrmann

9. Die schwache Wechselwirkung

Zusammenfassung

In Abschn. 5.5 wurde dargelegt, daß die fundamentalen Wechselwirkungen durch Austausch von Bosonen zustande kommen. Im Falle der elektromagnetischen Wechselwirkung werden Photonen ausgetauscht. Dies ist experimentell sehr gut gesichert (s. Abschn. 8.2). Im Vergleich damit weniger solide ist das experimentelle Fundament für die Vorstellung, daß die starke Wechselwirkung zwischen Quarks durch den Austausch von Gluonen zustande kommt (Abschn. 7.2).

Erich Lohrmann

10. Quarkmodell des Nukleons

Zusammenfassung

In Abschn. (5.4) wurde dargelegt, daß das Nukleon 3 Quarks enthält. In diesem Abschnitt wird die zugehörige experimentelle Evidenz präsentiert, und es wird sich zeigen, daß das Quarkmodell des Nukleons — in einer etwas verfeinerten Form — glänzend bestätigt wird.

Erich Lohrmann

11. Zusammenfassung — das Standard-Modell

Zusammenfassung

Physik als deduktive Wissenschaft — dies bedeutet, von einigen wenigen, nicht näher begründbaren Konstanten und Gesetzen ausgehend, die gesamte Physik mathematisch herzuleiten. Es ist klar, daß in vielen Fällen die Komplexität tatsächlicher Probleme der Berechenbarkeit praktische Grenzen setzt — man denke etwa an die Schwierigkeit, quantenmechanische Rechnungen für chemische Probleme durchzuführen, oder an Phänomene, die als deterministisches Chaos“ bezeichnet werden wie z. B. das Wetter. Eine deduktive Herleitung wird in solchen Fällen nur als Idealvorstellung existieren; trotzdem bleibt die Tatsache bestehen, daß die gesamte Natur im Prinzip“ auf einige wenige Bausteine und Kräfte zurückgeführt werden kann.

Erich Lohrmann

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