Systematische Einführung, von den Grundlagen zu den modernen Experimenten bis zu den jüngsten Entwicklungen des Gebiets. Experimentelle Hilfsmittel wie Beschleuniger und Detektoren werden zu Beginn besprochen. Dann folgen die Symmetrieprinzipien und ihre Anwendungen. Neueste experimentelle Ergebnisse zur Neutrinophysik und zur Verletzung der CP-Symmetrie werden behandelt, bevor die Frage nach möglichen Erweiterungen des Standardmodells gestellt wird. Ansprechende Gestaltung mit 88 Übungen und Lösungshinweisen.
/ AUS DEM INHALT: / / /
1 Überblick und Hilfsmittel 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 15
1.2 Die Elementarteilchen 18
1.2.1 Antimaterie 19
1.2.2 Leptonen 21
1.2.3 Hadronen 28
1.2.4 Quarks 34
1.2.5 Felder und Wechselwirkungen 39
1.2.6 Was ist ein Elementarteilchen? 44
1.3 Wirkungsquerschnitteund Zerfallsraten 45
1.3.1 Der Wirkungsquerschnitt 45
1.3.2 Zerfallsraten 48
1.4 Teilchenbeschleuniger 50
1.4.1 Linearbeschleuniger 50
1.4.2 Das Zyklotron 53
1.4.3 Das Synchrotron 54
1.4.4 Speicherringe 64
1.5 Detektoren 66
1.5.1 Detektoren an collidern 66
1.5.2 Spurenkammem 71
1.5.3 Kalorimeter 74
1.5.4 Blasenkammer 77
2 Die Streumatrix und ihre Symmetrien 79
2.1 Die Streumatrix 81
2.1.1 Wirkungsquerschnitte und Streuamplitude 82
2.1.2 Zerfallsraten 87
2.1.3 Symmetrien der S-Matrix 89
2.1.4 Das optische Theorem 92
2.1.5 Anhang über die 5-Funktion 93
2.2 Drehungenin drei Dimensionen 95
2.2.1 Drehungen 95
2.2.2 Die Drehgruppe 96
2.2.3 Darstellungen der Drehgruppe 98
2.2.4 Drehgruppe und halbzahlige Spins 103
2.2.5 Produkte von Darstellungen 104
23 Drehungen und Verschiebungen in vier Dimensionen 108
2.3.1 Lorentz-Transformationen 108
2.3.2 Die Poincarfi-Gruppe 110
2.3.3 Darstellungen der Poincare-Gruppe 112
2.4 Anwendungen 114
2.4.1 Kinematik der Zwei-Körper-Reaktionen 114
2.4.2 Zwei-Körper-Zerfälle 116
2.4.3 Partialwellenentwicklung der Streuamplitude 119
2.4.4 Resonanzen in Formationsexperimenten 120
2.4.5 Pion-Resonanzen 129
2.4.6 Der Spin des Photons 129
2.4.7 Der Spin des neutralen Pions 131
2.5 Spiegelungenund Paritätsinvarianz 132
2.5.1 Die Paritätstransformation 132
2.5.2 Die Parität des Photons, des p-Mesons und der Pionen . . 136
2.5.3 Spin und Parität des K-Mesons 138
2.5.4 Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung . . 140
2.6 DieZeitumkehr 142
2.6.1 Zeitumkehr und das Prinzip des detaillierten Gleichgewichts 142
2.6.2 Invarianz der Wechselwirkungen unter Zeitspiegelungen 145
2.7 Innere Symmetrien I 146
2.7.1 Globale Phasentransformationen 147
2.7.2 Die Teilchen-Antiteilchen-Konjugation 148
2.7.3 Lang- und kurzlebige neutrale K-Mesonen 152
2.7.4 CP -Verletzung im Ki.-Zerfall 158
2.8 Innere Symmetrien II,Isospin und S U2 166
2.8.1 Die Form der Sl/2-Matrizen 167
2.8.2 Darstellungen 169
2.8.3 Antiteilchen in der SU2 170
2.8.4 Die lsoinvarianz der Kernkraft 171
2.8.5 Isospin und Quarks 173
2.8.6 Reguläre Darstellung und G-Parität 174
2.8.7 Isospin und K-Zerfalle 175
3 Elementare Quantenelektrodynamik 179
3.1 Dirac-Gleichungund Feynman-Regeln 181
3.1.1 Die Dirac-Gleichung 181
3.1.2 Lösungen der freien Dirac-Gleichung 185
3.1.3 Feynman-Regeln 196
3.1.4 Die Renormierung und die laufende Kopplung 198
3.2 Basis-Reaktionen der QED 205
3.2.1 e ~ e+-Vernichtung in n ~ - Paare 205
3.2.2 Die Elektron-Myon-Streuung 209
3.2.3 Bhabha-und M0ller-Streuung 214
3.2.4 Anwendungen der Streuformeln 217
3.2.5 Die Compton-Streuung 221
33 Prozesse höherer Ordnung 228
3.3.1 Die Bremsstrahlung 228
3.3.2 Strahlungskorrekturen zur Mott-Streuung 236
4 Hadronen in der Quantenchromodynamik 241
4.1 Quarks mit Farbe 244
4.1.1 Das Statistik-Problem 244
4.1.2 Die Gruppe SU3 245
4.1.3 Mesonen als ^-Zustände 249
4.1.4 Baryonen als qgg-Zustände 250
4.2 Farbdynamik 254
4.2.1 Gluonen und das Potential der QCD 254
4.2.2 Die laufende Kopplungskonstante 260
43 Der Aufbau der Hadronen 263
4.3.1 Die Werte von Spin und Parität im Quarkmodell 264
4.3.2 Hadronen aus u- und d -Quarks 266
4.3.3 Die Massen der Quarks 270
4.3.4 Hadronen aus u-, d- und s-Quarks 272
4.4 Die cbromodynamische Hyperfeinstruktur 283
4.4.1 Die Aufspaltung für Hadronen aus u- und rf-Quarks 284
4.4.2 Hyperfeinstruktur und "seltsame" Quarks 285
4.5 Elektromagnetische und starke Zerfälle von Hadronen 287
4.5.1 Radiative Zerfalle der Vektormesonen 287
4.5.2 Zerfälle der Vektormesonen in Leptonenpaare 289
4.5.3 Radiative Zerfälle der pseudoskalaren Mesonen 293
4.5.4 Zerfalle in Hadronen 296
4.6 Neue schwere Quarks 299
4.6.1 Das Vektormeson 7/^-(15) 299
4.6.2 Die T-Mesonen 302
4.6.3 Quarkonium, cc und bb 304
4.6.4 Hadronen mit charm und bottom 310
5 Elektronen und Quarks 315
5.1 Elektron-Positron-Annihilationin Hadronen 317
5.1.1 Der Wirkungsquerschnitt 317
5.1.2 QCD-Korrekturen 320
5.1.3 Der Endzustand 324
5.2 Die elastische Elektron-Nukleon-Streuung 330
5.2.1 Der Wirkungsquerschnitt 331
5.2.2 Experimente zur elastischen Elektronenstreuung 333
5.2.3 Das eit-System 335
5.3 Inelastische Elektron-Nukleon-Streuung 338
5.3.1 Der Wirkungsquerschnitt im Quarkmodell 338
5.3.2 Allgemeine Form des Wirkungsquerschnitts 341
5.3.3 Modelle und Ergebnisse für F£N 345
5.3.4 QCD-Korrekturen 349
5.3.5 Der Endzustand 357
5.4 Zwei-Photonen-Physik 359
5.4.1 Resonanzerzeugung 360
5.4.2 Die Strukturfunktion des Photons 363
6 Von der schwachen zur elektroschwachen Wechselwirkung 369
6.1 Schwache Wechselwirkungvon Leptonen 371
6.1.1 Quasielastische vMe~-Streuung 371
6.1.2 Der Zerfall des Myons 375
6.2 Schwache Wechselwirkungvon Quarks 379
6.2.1 Der Cabibbo-Winkel 379
6.2.2 Der Beta-Zerfall des Neutrons 381
6.2.3 Der Zerfall ? ->? *v 385
6.2.4 Zerfälle von K-, D- und B-Mesonen 388
6.2.5 Der Zerfall des /op-Quarks 392
6.2.6 Inelastische Neutrino-Nukleon-Streuung 392
6.3 Die elektroschwache Wechselwirkung 398
6.3.1 Die Entdeckung der neutralen Ströme 398
6.3.2 Elektroschwache Wechselwirkung der Leptonen 401
6.3.3 Elektroschwache Wechselwirkung von Quarks 406
7 Das Standard-Modell 409
7.1 Die Neutrino-Elektron-Streuung 411
7.2 Die e~e+-Vernichtung in Fermion-Antifermion-Paare 415
7.2.1 Die Bornsche Näherung 415
7.2.2 Strahlungskorrekturen 421
7.3 Die Elektron-Nukleon-Streuung bei Berücksichtigungdes Z- und W-Austausches 422
7.4 Die Erzeugung des W -Bosonsin Quark-Antiquark-Stößen 425
7.5 Die Produktion des top-Quarksin Hadron-Hadron-Stößen 429
7.6 Intermezzo: Die Hadron-Hadron-Streuung 430
7.7 Higgs-Bosonen 437
7.8 CP-Verletzungim Standard-Modell 450
7.8.1 DieCKM-Matrix 450
7.8.2 CP -Verletzung und fe-Quarks 455
7.9 Neutrinomassenund Neutrino-Oszillationen 460
7.10 Jenseitsdes Standard-Modells 476
7.10.1 Majorana-Neutrinos 476
7.10.2 Das Parameter-Problem 481
7.10.3 Die große Vereinheitlichung 484
7.10.4 Hierarchie und Feinabstimmung 489
7.10.5 Die supersymmetrische Erweiterung des Standard-Modells 491
8 Lösungshinweise zu den Übungsaufgaben 503
8.1 Kapitell 505
8.2 Kapitel 2 506
8.3 Kapitel 3 509
8.4 Kapitel 4 511
8.5 KapitelS 512
8.6 Kapitel 6 514
8.7 Kapitel 7 515
Literatur 517
Sachverzeichnis 525