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Quarks, Neutrinos, Supersymmetrie, Higgs-Boson, LHC, Antimaterie, Dunkle Materie — wer hat diese Begriffe nicht schon einmal gehört und würde gerne mehr darüber wissen? Dieses Buch gibt Ihnen einen Überblick über die spannenden Themen der Teilchenphysik.

 

Auf jeweils einer Doppelseite erfahren Sie Wissenswertes in eindrucksvollen Bildern sowie unterhaltsamen und präzise formulierten Texten. Dabei geht es sowohl um Experimente und Entdeckungen als auch um theoretische Konzepte und Methoden. Sie erfahren, wie ein Teilchenbeschleuniger funktioniert, welche Schönheit hinter den Theorien der Teilchenphysik liegt und wie eng die Geschichte und der Aufbau des Universums mit den Eigenschaften der elementaren Teilchen und Kräften verknüpft sind. Wir erläutern Schritt für Schritt, wie man in riesigen Datenmengen relevante Informationen findet.

 

Begleiten Sie uns auf eine Entdeckungsreise von den Fundamenten der modernen Teilchenphysik über spannende Entwicklungen in der Grundlagenforschung bis hin zu Anwendungen, die aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken sind. (Verlagstext)

 

 

Aus dem Inhalt:

Vorwort VII / Über dieses Buch IX / Inhalt XI / / 1 Die Welt der Teilchen I / Eine weltweite Reise in die Teilchenphysik - Bildhafte Eindrücke von Teilchendetektoren 2 / Was ist Teilchenphysik Eine fundamentale Wissenschaft im Wechselspiel mit anderen 4 / Ursprünge der Teilchenphysik Wie und wer? 6 / Längenskalen und Einheiten Von riesig groß bis zu winzig klein alles Physik 8 / Die Elementarteilchen Die Bausteine der Welt 10 / Die vier Grundkräfte der Natur Vier sehr ungleiche Partner 12 / Das Quarkmodell Wie Quarks das Teilchenchaos zähmten 14 / Was ist eigentlich ein Elementarteilchen? Gibt es immer kleinere Bausteine? 16 / Was ist Antimaterie? Science Fiction oder Realität? 18 / Detektoren im Alltag Einen Teilchendetektor tragen wir im Kopf 20 / Wie macht die Physik Fortschritte? Eine komplizierte Suche nach einfachen Antworten 22 / Experimentelle Forschung in der Teilchenphysik Verschiedene Experimente für verschiedene Fragestellungen 24 / Hintergründe zur wissenschaftlichen Methode Der Unterschied zwischen „Wahrheit" und „Wissen“ 26 / Vorstellung und Realität Verschiedene Beschreibungen funktionieren 28 / / 2 Allgemeine Grundlagen 31 / Energie und Leistung Kilowattstunden, Elektronenvolt, wie hängt das alles zusammen? 32 / Spezielle Relativitätstheorie Wie schnell ist schnell? 34 / Kinematik - Impuls und Drehimpuls 36 / Beschleunigung und Strahlung Wer beschleunigt, der strahlt 38 / Grundkonzepte der Quantenmechanik - Von Pfeilen und Elektronen 40 / Zufall und Vorhersage Quantenmechanik at work 42 / / / Spin Eine eigentümliche Große der Quantenmechanik 44 / Das Prinzip von Streuexperimenten Atomares Billard 46 / Feynman-Diagramme Grafische Darstellungen von Wechselwirkungen 48 / Produktion, Zerstörung und Zerfall von Teilchen Wie Teilchen aus Teilchen entstehen können 50 / Resonanzen - Wenn alles zusammenpasst 52 / Uber die Reichweite von Wechselwirkungen Von intergalaktischen Abstanden zur Große von Atomkernen 54 / Symmetrien Schon und praktisch 56 / Spontane Symmetriebrechung Die versteckte Symmetrie 58 / / 3 Experimentelle Grundlagen 61 / Wie funktioniert ein Beschleuniger? Mit elektrischen Feldern zu hohen Energien 62 / Wechselwirkung zwischen Teilchen und Materie Warum wir überhaupt Teilchen in Messgeräten / nachweisen können 64 / Halbleiterdetektoren Die Multitalente: von der Handykamera bis zum LHC 66 / Gasbasierte Detektoren Messen, wo gar kein Detektor zu sein scheint 68 / Szintillatoren und Photomultiplier - Die großen Augen der Teilchenphysik 70 / Orts- und Impulsmessung Woher kommen wir, wohin gehen wir: fundamentale Fragen auch für Teilchen 72 / Energiemessung von Teilchen Wie viele Kalorien isst der Detektor? 74 / Signaturen von Teilchen - Fußabdrucke von Teilchen in den Detektoren 76 / Cerenkov-Strahlung und Teilchenidentifikation Schneller als Licht 78 / Statistik Die mathematische Beschreibung von Zufall 80 / Messunsicherheiten - Jeder macht Fehler 82 / Simulationen in der Experimentalphysik Welche Beobachtung wird wirklich vorhergesagt? 84 / / 4 Theoretische Grundlagen 87 / Anwendungen der speziellen Relativitätstheorie Relativität im Teilchenphysikalltag 88 / Fermionen und Bosonen Die Basis nicht nur der Chemie 90 / Äußere und innere Symmetrien Zur Schau gestellt oder versteckt? 92 / / / Eichsymmetrien - Versteckte Symmetrien als Ursprung der Kräfte 94 / Das Noether-Theorem Symmetrien bedingen Erhaltungsgroßen 96 / Feynman-Diagramme II Eine Bastelanleitung 98 / Quantenfeldtheorie Erzeugung und Vernichtung von Teilchen 100 / Schleifen Quantenmechanische Spezialeffekte 102 / Renormierung Die Zähmung der Unendlichkeit 104 / Präzise Berechnung des nicht vollständig Lösbaren - Wie man trickreich der Natur ihre Geheimnisse entlockt 106 / Simulationen in der theoretischen Physik Wie Computer das Unerreichbare erreichen 108 / / 5 Detektoren und Beschleuniger 111 / Der LHC-Beschleunigerkomplex am CERN - Von der Wasserstoffflasche bis zur Kollision 112 / Strahlführung - Nur nicht auf die schiefe Bahn geraten 114 / Plasmabeschleunigung Ein Beschleuniger, der auf einen Kuchentisch passt 116 / Beschleuniger in der Medizin Diagnose und Therapie 118 / Röntgenstrahlung Das geht unter die Haut 120 / Synchrotronstrahlung - Quellen besonderen Lichts 122 / Typische Detektoren an Beschleunigern Groß und Klein unter den Detektoren 124 / Große Detektoren tief im Berg - Die schwierige Jagd nach Neutrinos 126 / Tieftemperaturdetektoren Höchste Ansprüche bei tiefsten Temperaturen 128 / Flüssige Edelgase als Detektoren Seltene Flüssigkeiten zur Suche nach seltenen Teilchen 130 / Teilchenfallen Eingesperrte Teilchen 132 / Positronen-Emissions-Tomographie Nützliche Antimaterie-Vernichtung im Körperinneren 134 / Magnetresonanztomographie Mit dem Spin ins Innere des Körpers blicken 136 / / 6 Grundlagen der Auswertung von Teilchenphysikmessungen 139 / Trigger und Datenverarbeitung Der Weg der Nadel im Heuhaufen vom Detektor auf die Festplatte 140 / Datenauswertung - Aus sehr vielen Informationen das Spannende herausfinden 142 / Identifikation der Teilchensorte über die Masse Teilchen spielen „Wer bin ich?“ 144 / / / Die Bestimmung von Messunsicherheiten Lieber besser messen als langer messen 146 / Schlüsse ziehen aus Statistik Wann ist etwas zu unwahrscheinlich, um wahr zu sein? 148 / Veröffentlichen, was es nicht gibt Nichts zu finden ist ein wichtiges Ergebnis 150 / Ein Beispiel für die Entdeckung eines Teilchens anhand des Higgs-Bosons 152 / Was sind „Blinde Analysen“? Der Placebo-Effekt bei Forschenden 154 / Wie korrigiert man falsche Entdeckungen? Korrekturverfahren in der Teilchenphysik 156 / Neuronale Netzwerke und maschinelles Lernen Mit Köpfchen zu neuen Erkenntnissen 158 / Die Erfindung des World Wide Web Offene weltumspannende Wissenschaft für eine offene Gesellschaft 160 / / 7 Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik 163 / Elektromagnetismus Die alltägliche Kraft 164 / Die schwache Wechselwirkung Verwandlung ist möglich 166 / Up, Down, Rechts und Links Wer ist mit wem verwandt? 168 / Die unsichtbare Breite des Z- Bosons Es gibt nur drei Neutrinos! 170 / Spontane Symmetriebrechung im Standardmodell Das Higgs-Boson als Spielverderber 172 / Spontane Symmetriebrechung II Woher kommt das Photon? 174 / Spontane Symmetriebrechung III Was hat die bottom-Quark-Masse mit dem Higgs-Zerfall zu tun? 176 / Diskrete Symmetrien: P- und CP-Verletzung Gespiegelt ist ganz was anderes 178 / Der Pion-Zerfall Links, rechts, schneller, langsamer: Das macht einen Unterschied 180 / Der Weg zu sechs Quarks in drei Familien Wer wechsel wirkt mit wem? 182 / Neutrinos - Die außergewöhnlichen Leichtgewichte unter den Elementarteilchen 184 / Neutrinooszillationen Wankelmütige Neutrinos 186 / / 8 Die Besonderheiten der starken Wechselwirkung 189 / Quantenchromodynamik Von 1 nach 3: kleiner Unterschied mit großer Wirkung 190 / Confinement Warum es keine freien Quarks gibt 192 / Die Suche nach freien Quarks Oder wie man sich von der Statistik tauschen lassen kann 194 / Die laufende Kopplung Ein Scheinriese? 196 / Die Struktur des Protons Ein reichhaltiges Innenleben 198 / Quarkverteilungen im Proton Mehr als nur drei Quarks 200 / Kann man Quarks und Gluonen sehen? Das Unerreichbare wird sichtbar 202 / Woher kommt unsere Masse? Verkehrte Welt? 204 / Gitter-QGD Der Supercomputer macht’s möglich 206 / Der Quarkmasseneffekt Warum wir den Massenunterschieden der Quarks unsere Existenz verdanken 208 / Von Nukleonen zu Kernen Welch Vielfalt aus zwei Bausteinen 210 / Die Karlsruher Nuklidkarte Vom Tal der Stabilität 212 / Exotische Zustände Ein neuer Teilchenzoo? 214 / Die 14C- Altersbestimmung Archäologie mithilfe von Kernphysik 216 / / 9 Der Triumph des Standardmodells und darüber hinaus 219 / Die Entdeckung der neutralen Ströme Der erste Durchbruch des Standardmodells 220 / Die zufällige Entdeckung des J/ Der zweite Durchbruch des Standardmodells 222 / Die Entdeckung von W- und Z-Boson Von der Beobachtung eines Stroms zur Entdeckung eines Teilchens 224 / Entdeckung und Besonderheit des top-Quarks Das schwerste bekannte Elementarteilchen 226 / Warum ausgerechnet das Standardmodell? Präzisionsphysik am LEP und Vorhersage des Higgs-Bosons 228 / Die Entdeckung des Higgs-Bosons Ultimativer Triumph des Standardmodells 230 / Ist es wirklich das Higgs-Boson? Experimentelles Portrait eines Teilchens 232 / Präzisionsexperimente 0,001 159 652 234 / Das Myon Schweres Schwesterteilchen des Elektrons 236 / Überprüfung von Neutrinooszillationen - Eindrucksvolle Bestätigung einer Abweichung 238 / Messung der Neutrinomasse Kleinste Masse größte Waage 240 / Die Verletzung der CP-Symmetrie in B-Mesonen Leben wir im Spiegel oder davor? 242 / Seltene Zerfälle von ß-Mesonen - Winzige Hinweise auf große Neuigkeiten? 244 / Gestaltwandler unter sich Von Charme, Schönheit und seltsamen Teilchen 246 / Die Vermessung des CKM-Dreiecks Das große Treffen 248 / Die Hürden des Erfolgs - Worüber neue Theorien springen müssen 250 / / 10 Die Grenzen des Standardmodells 253 / Warum wir weitersuchen Ungelöste Probleme im Standardmodell 254 / Neutrinomassen Warum so klein? 256 / GUT Die große Vereinheitlichung 258 / Supersymmetrie Wie viel Symmetrie ist möglich? 260 / Extra-Dimensionen Vielleicht ist die Gravitation ja gar nicht so schwach 262 / Stringtheorie Eine vibrierende Schnur als Vereinheitlichung 264 / Urknall Das erste Teilchenlabor 266 / Dunkle Materie Eine Herausforderung für die Elementarteilchenphysik 268 / Dark Sector: Dunkle Energie Eine Herausforderung für die Kosmologie und Elementarteilchenphysik 270 / Das starke CP-Problem - Wie Theoretiker Probleme wegwaschen 272 / Ist das Leben auf der Erde ein Zufall? Verstehen wir, warum Leben entstehen konnte? 274 / / 11 Die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells / Ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen? - Die Suche nach dem neutrinolosen doppelten 278 / Neue Teilchen am LHC - Suchen mit einer konkreten Idee 280 / Das unspezifische Unbekannte am LHC Suchen ohne konkrete Idee 282 / Zusätzliche Raumdimensionen am LHC - Wohin verschwindet die Gravitation? 284 / Das Rätsel der Dunklen Materie Woher wissen wir, wonach wir suchen müssen? 286 / Direkte Suche nach der Dunklen Materie Auf der Jagd nach unsichtbaren Teilchen 288 / Materie und Antimaterie Warum gibt es uns überhaupt? 290 / Teilchenphysik im Weltall Hoch hinaus 292 / Die Suche nach elektrischen Dipolmomenten Wo ist die Antimaterie geblieben? 294 / Die Suche nach Axionen Zwei Fliegen mit einer Klappe 296 / Protonenzerfall Lang lebe das Proton! 298 / Supernovae als Teilchenphysiklabore Dramatische Ereignisse mit ungeahnten Fähigkeiten 300 / / 12 Die Verbindung des Größten mit dem Kleinsten 303 / Baryogenese - Wieso gibt es (fast) keine Antimaterie im Universum? 304 / Nukleosynthese im Urknall Helium, Neutrinos und die Materie-Antimaterie-Asymmetrie 306 / Elemententstehung in Sternen Wie war das mit dem Sternenstaub? 308 / Kosmischer Mikrowellenhintergrund Ein Blick ins frühe Universum und seine Zusammensetzung 310 / Das Größte und das Kleinste Einfluss der Neutrinomasse auf die großräumige Struktur im Universum 312 / Kosmische Strahlung Teilchen aus dem All 314 / Ultrahochenergetische kosmische Strahlung Die Suche nach den kosmischen Hochleistungsbeschleunigern 316 / Multimessenger-Astronomie Neue Blicke ins Teilchen-Universum 318 / Neutrinos von der Sonne Ein Blick ins Innere der Sonne 320 / Die Entwicklung des Universums Blick in die sehr ferne Zukunft 322 / / Lohnt sich das alles? 325 / Danksagung 327 / Die Eigenschaften der Elementarteilchen - Übersicht und Tabellen 328 / Glossar 329 / Bildnachweis 345 / Index 352 / Das Autorenteam 360