Als einführendes Lehrbuch in die Teilchenastrophysik konzipiert wendet sich dieses Werk an Studenten der Physik und Astronomie ab dem Vordiplom. Kurz und prägnant werden die Grundlagen der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik vorgestellt, bevor das Standardmodell der Teilchenphysik erläutert und die Zusammenhänge mit den heutigen Fragen aus Astrophysik und Kosmologie hergestellt werden. Mathematisch elementarer als die meisten Einführungen in die Teilchenphysik eignet sich dieses Buch sowohl begleitend zu einer Kursvorlesung als auch zum Selbststudium. Besonderer Wert wird auf pädagogische Aspekte gelegt: im Vordergrund stehen Anschaulichkeit, eine am tatsächlichen Denkprozess orientierte Darstellung und die Ausgewogenheit zwischen theoretischen, experimentellen und interpretatorischen Aspekten der modernen Astroteilchenphysik.
/ AUS DEM INHALT: / / /
1. Großes und Kleines im Universum 1
Die Grundlagen: Newton und Kepler 1
Das Sonnensystem 3
Entfernte Sterne und Galaxien 6
Das expandierende Universum 10
Der heiße Urknall 12
Fernrohr und Mikroskop 16
Das Auflösungvermögen des Mikroskops 18
Über das optische Mikroskop hinaus 20
Mikroskopische Vorgänge im heißen Urknall 23
2. Die beiden Säulen: Relativität und Quantentheorie 25
Relativität: Woher kommt E = mc2? 25
Noch mehr Relativität: Gravitation und Geometrie 37
Was unterscheidet einen fallenden Körper
von einem beschleunigten? 37
Metrik und Linienelement 40
Krümmung 43
Und es stimmt! 50
Quanten, Teilchen und Felder 56
Plancks Strahlungsformel 56
Diskrete Zustände in Atomen 61
Ein erster Versuch: Bohrs Atommodell 62
Auf dem Weg zur Quantenmechanik: Wellenfunktionen,
Operatoren und die Unbestimmtheitsrelation 64
Der Formalismus: Zustandsvektoren, bra's und ket's 67
Erwartungswerte und Ströme 70
Formaler Beweis der Unbestimmtheitsrelation 74
Der quantenmechanische Drehimpuls 77
Ein intrinsischer Drehimpuls: der Spin 83
Zusammengesetzte Wellenfunktionen 86
Zwischenspiel: Das Heisenberg-Bild 87
Äquidistante Zustände: Der harmonische Oszillator 89
Teilchenerzeugung und -Vernichtung in relativistischen
Wellengleichungen: Klein-Gordon und Dirac 92
Eichinvarianz und Kopplungen 101
Quantisierung des Klein-Gordon-Felds 106
... und des Dirac-Felds 112
Noch ein Zwischenspiel: Spins und Drehungen 117
Von Feldoperatoren zu Erwartungswerten 120
Wechselwirkende Felder: Elektronen-Streuung als Beispiel 124
Allgemeine Baupläne für Amplituden 132
Eine Komplikation: Höhere Ordnungen 136
Schleifendiagramme oder Wie man aus der Not
eine Tugend macht 137
Renormierung 139
3. Das Standardmodell der Teilchenphysik 143
Einstieg: Der Isospin als innere Quantenzahl 143
Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung 145
Seltsamkeit und SU(3) 150
Partonen in der tiefinelastischen Streuung 159
Quarks und Gluonen 168
Eine andere Wechselwirkung, ein anderer Prozess: der /3-Zerfall . 183
Rechtsherum und linksherum sind nicht dasselbe 193
Genaueres über die schwache Wechselwirkung zwischen Quarks . 200
Eine neue Theorie: schwache und elektromagnetische
Wechselwirkung unter einem Dach 204
Endliche Massen: der Higgs-Mechanismus 212
Die Bestätigung im Experiment 220
Quarks im Standardmodell 224
CP-Verletzung: drei Quark-Generationen passen ins Bild 229
Eine mögliche Modifikation: Neutrino-Oszillationen 234
Zum Schluss: eine Standortbestimmung
und einige Spekulationen 242
4. Kosmologie 253
Das expandierende Universum:
von Newton zu Einstein und Friedmann 254
Dichte, Temperatur und Wellenlängen
im Laufe der Entwicklung 261
Chemie im Urknall: Wie sind Atome
und Atomkerne entstanden? 268
Das erste Rätsel: Dunkle Materie 274
"Exotische" Kandidaten für Dunkle Materie 280
Weitere Fragen: Horizonte und Flachheit 285
Die mögliche Antwort: Eine kosmologische Konstante 287
Inflation! 290
Inhaltsverzeichnis XV
Szenenwechsel: Kosmische Strahlung 302
Fermis Beschleunigungs-Mechanismus 307
Was geschieht im Sterntod? 311
A. Einige mathematische Werkzeuge 317
Der Cauchysche Integralsatz,
die (5-Funktion und Fourier-Transformationen 317
Gruppen 320
B. Grundbegriffe der klassischen Elektrodynamik 327
Elektrizität 327
Magnetismus 330
Magnetische Induktion 335
Die Konsequenzen der Verschiebung: elektromagnetische Wellen 336
C. Thermodynamik und Statistische Mechanik 343
Das ideale Gas 343
Kinetische Theorie der Gase 345
Erster Hauptsatz und statistische Mechanik 347
Quantenstatistik 350
Zum Abschluss: Thermischer Mittelwert
von bosonischen Feldern 354
D. Wahrscheinlichkeiten und Verteilungen 357
Binomial- Verteilung 359
Poisson-Verteilung 359
Gauß-Verteilung 362
Negative Binomial- und Exponential-Verteilung 363
E. Zerfallsraten und Wirkungsquerschnitte 367
Literaturverzeichnis 373
Index 381