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Dieses Lehrbuch gibt eine umfassende Einführung in die theoretischen Grundlagen und experimentellen Methoden der Kern- und Elementarteilchenphysik. Dabei werden durch eine einheitliche Beschreibungsweise die Parallelen zwischen beiden Gebieten aufgezeigt. Entstanden aus einer Vorlesung an der Universität Duisburg/Essen bietet das Buch, unterstützt durch zahlreiche Illustrationen und Beispiele, den gesamten Inhalt einer entsprechenden Kursvorlesung nach dem Vordiplom. Der Autor, selbst leitender Mitarbeiter am Institut für Kernphysik in Jülich, gelingt damit in idealer Weise der Brückenschlag zwischen Forschung und Lehre.

 

/ AUS DEM INHALT: / / /

Vorwort XIII 1 Historische Anfänge 1 1.1 Aufgaben 4 2 Experimentelle Methoden 7 2.1 Beschleuniger 7 2.1.1 Gleichspannungsbeschleuniger 7 2.1.2 Linearbeschleuniger 9 2.1.3 Kreisbeschleuniger 11 2.2 Detektoren 16 2.2.1 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie 17 2.2.2 Messung der Ionisation 23 2.2.3 Positionsmessung 25 2.2.4 Teilchenidentifizierung 29 2.2.5 Zeitmessung 32 2.2.6 Energiemessung 34 2.2.7 Impulsmessung 35 2.3 Aufgaben 39 3 Globale Eigenschaften von Kernen und Nukleonen 43 3.1 Massen, Bindung 43 3.2 Streuexperimente 49 3.2.1 Die Methode 49 3.2.2 Streuung an einer harten Kugel 51 3.2.3 Begriffe und Einheiten 52 3.3 Quantenmechanik der Streuung 55 3.3.1 Die Bom'sche Näherung 58 3.3.2 Die Eikonal-Näherung 58 3.3.3 Die Rutherford-Streuung 59 3.4 Elastische Elektronenstreuung an Kernen 61 3.4.1 Formfaktoren und Mott-Streuung 61 3.4.2 Ladungsverteilung von Kernen 64 3.5 Streuung leichter Ionen an Kernen 68 3.5.1 Das Kastenpotential 68 3.5.2 Materieverteilung 69 3.6 Elektromagnetische Momente 72 3.6.1 Magnetische Momente 72 3.6.2 Elektrische Quadrupolmomente 76 3.7 Ladungsverteilung der Nukleonen 79 3.8 Partonen 84 3.9 Partialwellenzerlegung 86 3.9.1 Wirkungsquerschnitte der elastischen Streuung 86 3.9.2 Totaler Wirkungsquerschnitt 88 3.10 a-Zerfall 92 3.10.1 Gamow'sches Modell der Potentialdurchtunnelung 92 3.10.2 Spektroskopische Faktoren 98 3.10.3 Protonen-Radioaktivität 100 3.10.4 Cluster-Radioaktivität 100 3.11 Halbklassische Beschreibung 101 3.12 Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung 104 3.12.1 Das Deuteron 104 3.12.2 Nukleon-Nukleon-Streuung 110 3.12.3 Feld-theoretische Beschreibung der Wechselwirkungen 116 3.13 Aufgaben 123 4 Kernmodelle 127 4.1 Fermi-Gas-Modell 127 4.2 Tröpfchenmodell 130 4.3 Das Schalenmodell 137 4.3.1 Sphärische Potentiale 137 4.3.2 Spin-B ahn-Wechsel Wirkung 143 4.3.3 Restwechselwirkung 146 4.4 Deformierte Kerne 153 4.5 Das optische Modell 155 4.6 Einteilchen- Anregungen 162 4.7 Kollektive Anregungen 167 4.7.1 Vibrationen 168 4.7.2 Rotierende Kerne 170 4.7.3 Transurane und Spaltung 177 4.8 Aufgaben 181 5 Ungebundene Systeme, Symmetrien 185 5.1 Resonanzen in Kernen 185 5.2 Riesenresonanzen 191 5.3 Erhaltungsgrößen 194 5.3.1 Raum-Zeitliche Verschiebungen 197 5.3.2 Rotation 198 5.3.3 Halbzahlige Spins 200 5.3.4 Die Parität V 201 5.3.5 Die Zeitumkehr T 203 5.3.6 Der Isospin 207 5.4 Eigenschaften der Feldteilchen 209 5.4.1 Die Entdeckung des Pions 209 5.4.2 Spin des geladenen Pions 211 5.4.3 Isospin der Pionen 212 5.4.4 Spin und Parität des Photons 214 5.4.5 Schwellenproduktionen 215 5.5 Empirische Erhaltungssätze 218 5.5.1 Ladungserhaltung 218 5.5.2 Folgerungen aus der Existenz und aus dem/3-Zerfall des Neutrons . . 221 5.6 Das 7r-Nukleon-System 222 5.6.1 Die 7r-Nukleon-Wechselwirkung 222 5.6.2 Nukleonenresonanzen 225 5.7 Resonanzen im 7r-7r-System 229 5.7.1 Zweipionen-Systeme 229 5.7.2 Dreipionen-Systeme 231 5.8 Die Strangeness 234 5.9 r/-Zerfälle und die C-Konjugation 238 5.10 Aufgaben 241 6 Quarkonia und die starke Wechselwirkung 247 6.1 Multipletts leichter Quarks 247 6.1.1 Anordnungen in Multipletts, Quarks 247 6.1.2 Quarkmassen 255 6.1.3 Farbe 261 6.1.4 Quarklinien 261 6.2 Schwere Quarks 263 6.2.1 Die Entdeckung des Charms 263 6.2.2 Die Entdeckungen des Bottom- und des Top-Quarks 267 6.3 QCD, Jets und Gluonen 270 6.3.1 Quark-Quark-Potential 270 6.3.2 Die laufende Kopplungskonstante 274 6.3.3 Das Saitenmodell 277 6.3.4 Nichtresonante (/(/-Erzeugung 279 6.3.5 Gluonenabstrahlung 282 6.3.6 Die Gluon-Gluon-Wechselwirkung 285 6.4 Struktur der Nukleonen 287 6.4.1 Skaleninvarianz 287 6.4.2 Das Quark-Parton-Modell 293 6.4.3 Neutrinostreuung 296 6.4.4 Skalenbrechung und Impulsverteilung der Gluonen 297 6.5 Eichinvarianz 299 6.5.1 Nicht-Abel'sche Eichtransformationen 299 6.5.2 Spontane Brechung der globalen Symmetrie: Goldstone-Mode . . . 303 6.5.3 Spontane Brechung der lokalen Symmetrie: Higgs-Mode 306 6.5.4 Higgs-Mechanismus und Isospin 307 6.6 Chirale Störungstheorie 308 6.6.1 Chiraler Grenzfall 308 6.6.2 Partiell erhaltener axialer Strom 310 6.6.3 TTTr-Streuung 311 6.6.4 Offene Probleme 313 6.7 Streuung von Hadronen bei hohen Energien 316 6.8 Aufgaben 320 7 Die elektroschwache Wechselwirkung 325 7.1 Leptonen 325 7.1.1 Eigenschaften geladener Leptonen 325 7.1.2 Die Neutrino-Hypothese 330 7.2 Der nukleare /3-Zerfall, Fermi's Theorie 332 7.3 Verletzung der Paritätserhaltung, Helizität der Leptonen 338 7.3.1 Das Wu-Experiment 339 7.3.2 Der Zerfall des A-Hyperons 341 7.3.3 Die Helizität der Leptonen 343 7.4 Die V - A-Wechselwirkung 345 7.5 Test der V - A-Theorie 348 7.6 Der neutrale, schwache Strom 352 7.7 Die Feldbosonen der schwachen Wechselwirkung 354 7.8 Schwache Zerfälle von Teilchen mit Strangeness 358 7.9 Verallgemeinerung auf sechs Quarks 359 7.10 Die Vereinheitlichung der elektrischen und der schwachen Wechselwirkung . 362 7.11 Oszillationen, CV -Verletzung 366 7.11.1 Das Zweizustandsproblem 366 7.11.2 Die neutralen Kaonen 369 7.11.3 Oszillation und Regeneration 371 7.11.4 Verletzung der CV- und der T-Invarianz 373 7.11.5 CV-Verletzung im Standardmodell 381 7.12 Neutrinos 386 7.12.1 Drei Leptonenfamilien 387 7.12.2 Sonnenneutrinos 389 7.12.3 Atmosphärische Neutrinos 393 7.12.4 Neutrinooszillationen 395 7.13 Aufgaben 402 8 Kerne in exotischen Zuständen 407 8.1 Hyperkerne 407 8.2 Mesonische Atome 411 8.3 Schwerionenphysik bei mittleren Energien 414 8.3.1 Heiße Kerne 414 8.3.2 Weitere Thermometer 418 8.3.3 Thermalisierung 419 8.3.4 Die Zustandsgieichung 423 8.4 Suche nach dem Quark-Gluon-Plasma 425 8.5 Nukleares Brennen, Neutronensterne 428 8.6 Aufgaben 433 Anhang A Fourier-Transformationen 437 B Die Raum-Zeit 439 B.l Vierervektoren 439 B.2 Lorentz-Transformationen 440 B.3 Kovariante Formulierung der Elektrodynamik 441 C Kinematik und Phasenraum 443 C.l Kinematik 443 C.2 Zweikörper-Kinematik 446 C.3 Dreikörper-Kinematik 449 C.4 Methode der fehlenden Masse 455 C.5 Rapidität 455 D Addition von Drehimpulsen 457 E Die Dirac-Gleichung 459 E.1 Wellengleichungen 459 E.2 Lösungen der Dirac-Gleichung 463 F Matrixelemente aus Feynman-Graphen 465 F.1 Regeln der QED 465 F.2 Regeln der QCD 468 G Generatoren für die Gruppe SU (3) 471 H Quantenzahlen der Mesonen 475 Literaturverzeichnis 477 Index 489