Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik

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.

• Vorwort xiii1 Historische Anfänge 11.1 Aufgaben 32 Globale Eigenschaften von Kernen und Nukleonen 52.1 Massen, Bindung 52.2 Streuexperimente 112.2.1 Die Methode 112.2.2 Streuung an einer harten Kugel 122.2.3 Begriffe und Einheiten 132.3 Quantenmechanik der Streuung 162.3.1 Die Born’sche Näherung 192.3.2 Die Eikonal-Näherung 192.3.3 Die Rutherford-Streuung 202.4 Elastische Elektronenstreuung an Kernen 222.4.1 Formfaktoren und Mott-Streuung 222.4.2 Ladungsverteilung von Kernen 242.5 Streuung leichter Ionen an Kernen 282.5.1 Das Kastenpotential 282.5.2 Materieverteilung 302.6 Elektromagnetische Momente 322.6.1 Magnetische Momente 322.6.2 Elektrische Quadrupolmomente 362.7 Ladungsverteilung der Nukleonen 392.8 Partonen 442.9 Partialwellenzerlegung 452.9.1 Wirkungsquerschnitte der elastischen Streuung 452.9.2 Totaler Wirkungsquerschnitt 472.10 α-Zerfall 512.10.1 Gamow’sches Modell der Potentialdurchtunnelung 512.10.2 Spektroskopische Faktoren 572.10.3 Protonen-Radioaktivität 592.10.4 Cluster-Radioaktivität 592.11 Halbklassische Beschreibung 602.12 Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung 632.12.1 Das Deuteron 632.12.1.1 Einfache Beschreibung 632.12.1.2 Einfluss des Spins 662.12.1.3 Momente und Tensorkraft 672.12.2 Nukleon-Nukleon-Streuung 692.12.2.1 Das LS-Potential 692.12.2.2 Streuung bei kleinen Energien 702.12.3 Feld-theoretische Beschreibung der Wechselwirkungen 732.12.3.1 Das Bosonen-Austauschpotential 772.13 Aufgaben 803 Kernmodelle 853.1 Fermi-Gas-Modell 853.2 Tröpfchenmodell 883.3 Das Schalenmodell 943.3.1 Sphärische Potentiale 943.3.2 Spin-Bahn-Wechselwirkung 1003.3.3 Restwechselwirkung 1033.3.3.1 Die Paarwechselwirkung 1043.3.3.2 Besetzungszahlen 1073.4 Deformierte Kerne 1093.5 Das optische Modell 1113.6 Einteilchen-Anregungen 1173.7 Kollektive Anregungen 1223.7.1 Vibrationen 1233.7.2 Rotierende Kerne 1263.7.3 Transurane und Spaltung 1313.8 Aufgaben 1354 Ungebundene Systeme, Symmetrien 1394.1 Resonanzen in Kernen 1394.2 Riesenresonanzen 1444.3 Erhaltungsgrößen 1484.3.1 Raum-Zeitliche Verschiebungen 1504.3.2 Rotation 1514.3.3 Halbzahlige Spins 1534.3.4 Die Parität P 1534.3.5 Die Zeitumkehr T 1554.3.6 Der Isospin 1594.4 Eigenschaften der Feldteilchen 1614.4.1 Die Entdeckung des Pions 1614.4.2 Spin und Parität der Pionen 1624.4.3 Isospin der Pionen 1644.4.4 Spin und Parität des Photons 1664.4.5 Schwellenproduktionen 1674.5 Empirische Erhaltungssätze 1704.5.1 Ladungserhaltung 1704.5.2 Folgerungen aus der Existenz und aus dem β-Zerfall des Neutrons 1724.6 Das π-Nukleon-System 1734.6.1 Die π-Nukleon-Wechselwirkung 1734.6.2 Nukleonenresonanzen 1764.7 Resonanzen im π – π-System 1794.7.1 Zweipionen-Systeme 1794.7.2 Dreipionen-Systeme 1814.8 Die Strangeness 1844.9 η-Zerfälle und die C-Konjugation 1874.10 Aufgaben 1905 Quarkonia und die starke Wechselwirkung 1955.1 Multipletts leichter Quarks 1955.1.1 Anordnungen in Multipletts, Quarks 1955.1.2 Quarkmassen 2005.1.2.1 Hyperfeinwechselwirkung 2015.1.2.2 Coulomb-Effekte 2055.1.2.3 Magnetische Momente 2065.1.3 Farbe 2075.1.4 Quarklinien 2085.2 Schwere Quarks 2095.2.1 Die Entdeckung des Charms 2095.2.2 Die Entdeckungen des Bottom- und des Top-Quarks 2145.3 QCD, Jets und Gluonen 2165.3.1 Quark-Quark-Potential 2165.3.2 Die laufende Kopplungskonstante 2215.3.3 Das Saitenmodell 2235.3.4 Nichtresonante qq-Erzeugung ̄ 2255.3.5 Gluonenabstrahlung 2275.3.6 Die Gluon-Gluon-Wechselwirkung 2315.4 Struktur der Nukleonen 2325.4.1 Skaleninvarianz 2325.4.2 Das Quark-Parton-Modell 2375.4.3 Neutrinostreuung 2405.4.4 Skalenbrechung und Impulsverteilung der Gluonen 2415.5 Chirale Störungstheorie 2425.5.1 Chiraler Grenzfall 2425.5.2 Partiell erhaltener axialer Strom 2445.5.3 ππ-Streuung 2455.5.4 Offene Probleme 2475.6 Streuung von Hadronen bei hohen Energien 2495.7 Aufgaben 2536 Die elektroschwache Wechselwirkung 2576.1 Leptonen 2576.1.1 Eigenschaften geladener Leptonen 2576.1.1.1 Eigenschaften des Elektrons 2576.1.1.2 Eigenschaften des Myons 2596.1.1.3 Eigenschaften des Taus 2666.1.2 Die Neutrino-Hypothese 2676.2 Der nukleare β-Zerfall, Fermi’s Theorie 2696.3 Verletzung der Paritätserhaltung, Helizität der Leptonen 2756.3.1 Das Wu-Experiment 2756.3.2 Der Zerfall des Λ-Hyperons 2776.3.3 Die Helizität der Leptonen 2796.4 Die V − A-Wechselwirkung 2816.5 Test der V – A-Theorie 2846.6 Der neutrale, schwache Strom 2886.7 Die Feldbosonen der schwachen Wechselwirkung 2896.8 Schwache Zerfälle von Teilchen mit Strangeness 2936.9 Verallgemeinerung auf sechs Quarks 2946.10 Die Vereinheitlichung der elektrischen und der schwachen Wechselwirkung 2966.11 Eichinvarianz 2966.11.1 Nicht-Abel’sche Eichtransformationen 2966.11.1.1 Eichinvarianz in der QED 2986.11.1.2 Isospin-Invarianz 2986.11.1.3 Eichfelder der Gruppe SU(3) 2996.11.2 Spontane Brechung der globalen Symmetrie: Goldstone-Mode 3006.11.3 Spontane Brechung der lokalen Symmetrie: Higgs-Mode 3026.11.4 Higgs-Mechanismus und Isospin 3036.11.5 Tests des Standardmodells 3086.11.5.1 Eigenschaften der Z Zerfälle 3086.11.5.2 Test der QED 3106.11.5.3 Zwei Fermionen Endzustand 3136.11.6 Untersuchungen Zur Elektroschwachen Wechselwirkung Bei LEP II Energien 3216.12 Oszillationen, CP-Verletzung 3236.12.1 Das Zweizustandsproblem 3236.12.2 Die neutralen Kaonen 3266.12.3 Oszillation und Regeneration 3286.12.4 Verletzung der CP-und der T-Invarianz 3306.12.4.1 Zerfälle neutraler Kaonen 3306.12.4.2 Verletzung der T-Invarianz 3356.12.4.3 Verletzung der CP-Invarianz im Zerfall 3356.12.4.4 CP-Verletzung im BB-System 3366.12.5 CP-Verletzung im Standardmodell 3386.13 Neutrinos 3426.13.1 Sonnenneutrinos 3456.13.2 Atmosphärische Neutrinos 3496.13.3 Neutrinooszillationen 3506.13.4 Suche nach dem Majorana Neutrino 3566.14 Aufgaben 3617 Suche nach dem Higgs Boson 3677.1 Frühe Suchen 3677.2 Blick durchs Schlüsselloch 3677.3 Produktions- und Zerfallskanäle 3717.4 Experimentelle Prerequisite 3747.5 Die Entdeckung des Higgs Bosons 3767.5.1 Spin und Parität des Higgs Bosons 3787.6 Aufgaben 3798 Kerne in exotischen Zuständen 3818.1 Hyperkerne 3818.2 Mesonische Atome 3848.3 Schwerionenphysik bei mittleren Energien 3878.3.1 Heiße Kerne 3878.3.2 Weitere Thermometer 3918.3.3 Thermalisierung 3928.3.4 Die Zustandsgleichung 3958.4 Hoch relativistische Schwerionenreaktionen 3978.4.1 Hochenergetische Schwerionenbeschleuniger 3988.4.2 Schwerionendetektoren 4018.4.3 Kollektiver Strömung 4038.4.4 Gittereichtheorie 4118.4.5 Raum-Zeit Entwicklung des Quark-Gluon Plasmas 4168.4.5.1 Messung der Korrelation 4168.4.5.2 Der kritische Punkt 4188.4.5.3 Die Zähigkeit des Quark-Gluon Plasmas 4238.5 Nukleares Brennen, Neutronensterne 4268.6 Aufgaben 430Anhang 433A Fourier-Transformationen 433B Die Raum-Zeit 435B.1 Vierervektoren 435B.2 Lorentz-Transformationen 436B.3 Kovariante Formulierung der Elektrodynamik 437C Kinematik und Phasenraum 439C.1 Kinematik 439C.2 Zweikörper-Kinematik 442C.3 Dreikörper-Kinematik 445C.4 Methode der fehlenden Masse 450C 5 Rapidität und Pseudorapidität 450D Addition von drehimpulsen 453E Die Dirac-Gleichung 455E.1 Wellengleichungen 455E.2 Lösungen der Dirac-Gleichung 459F Matrixelemente aus Feynman-Graphen 461F.1 Regeln der QED 461F.2 Regeln der QCD 464G Generatoren für die Gruppe SU(3) 465H Quantenzahlen der Mesonen 469I Teilchen im Standardmodell 471Literaturverzeichnis 473Index 485