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Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen: Eine Übersicht, 3., überarb. u. erw. Auflage

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Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen: Eine Übersicht, 3., überarb. u. erw. Auflage

Klaus Bethge, Ulrich E. Schröder

ISBN: 978-3-527-66215-9 May 2012 536 Pages

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Description

Die dritte Auflage dieses bewährten Lehrbuchs bietet in seiner gründlichen Überarbeitung und mit zahlreichen Ergänzungen eine konzise Übersicht über die Physik der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen. Die Autoren - beide Wissenschaftler mit langjähriger und umfassender Forschungs- und Lehrerfahrung an renommierten Einrichtungen - stellen in einzigartiger Weise den Kanon der Elementarteilchenphysik gleichzeitig verständlich und übersichtlich zusammen. Das Lehrbuch dient der effizienten Prüfungsvorbereitung, ist aber auch zum Nachschlagen für Diplom- und Doktorarbeiten geeignet, dies nicht zuletzt dank des umfangreichen Tabellenanhangs.

I Einleitung 1

1 Historische Entwicklung 2

2 Qualitativer U berblick 8

2.1 Leptonen, Mesonen, Baryonen 8

2.2 Grundbegriffe 12

Literatur 15

II Grundlagen 17

3 Symmetrien als Ordnungsprinzip 17

A Kontinuierliche raum-zeitliche Symmetrien 19

3.1 Symmetrie in der klassischen Mechanik 19

3.2 Symmetrie in der Quantenmechanik 20

3.3 Relativistische Invarianz 22

3.4 Quantenzahlen 25

3.5 Der Spin 26

B Permutationssymmetrie 28

3.6 Fermionen und Bosonen 28

C Diskrete Symmetrietransformationen 30

3.7 Raumliche Spiegelung 30

3.8 Zeitliche Spiegelung (Bewegungsumkehr) 32

3.9 Teilchen-Antiteilchen-Konjugation 35

3.10 Das CPT-Theorem 37

D Innere Symmetrien 39

3.11 Phasentransformation und Ladungserhaltung 39

3.12 Der Isospin, SU(2) 41

3.13 Die unitare Symmetrie SU(3) 44

4 Wechselwirkungen durch Felder 48

4.1 Teilchenaustausch 48

4.2 Yukawa-Potential 49

4.3 Virtuelle Teilchen 50

5 Eichsymmetrien als dynamisches Prinzip 52

5.1 Die Eichsymmetrie U(1) in der Quantenmechanik 53

5.2 Das Prinzip der Eichsymmetrie 55

5.3 Hohere Eichsymmetrien 60

6 Experimentelle Methoden der Elementarteilchenphysik 70

6.1 Beschleuniger 71

6.2 Detektoren 78

Literatur 93

III Die elektromagnetischeWechselwirkung 95

7 Geladene Leptonen 98

7.1 Das Elektron 98

7.2 Elektronenspin 99

7.3 Positronen 99

7.4 Myonen 100

8 Beispiele fur elektromagnetischeWechselwirkung 102

8.1 Elastische Streuung 102

8.2 Annihilation 104

8.3 Unelastische Prozesse 106

9 Prufung der Quantenelektrodynamik 108

9.1 Prazisionsmessungen bei niedrigen Energien 108

9.2 Strahlungskorrekturen, Renormierung 114

9.3 Test bei hohen Energien 117

9.4 Invarianz gegenuber C, P und T 118

10 Elektromagnetische Formfaktoren 120

10.1 Formfaktoren fur Proton und Neutron 120

10.2 Interpretation 123

11 Unelastische Lepton-Nukleon-Streuung 124

11.1 Unelastische Formfaktoren 125

11.2 Skalenverhalten 129

11.3 Partonen 131

11.4 Quark-Partonen 134

11.5 Myon-Kern-Streuung 137

12 Elektron-Positron-Vernichtung bei hohen Energien 139

12.1 Die leichteren Vektormesonen 140

12.2 Der totaleWirkungsquerschnitt der Reaktionen e+e− → Hadronen 143

12.3 Die Quantenzahl „Farbe”147

12.4 Die neuen Teilchen 148

Literatur 162

IV Die schwacheWechselwirkung 163

13 Charakteristische Eigenschaften 167

13.1 U bersicht uber die Prozesse der schwachenWechselwirkung 167

13.2 Der β-Zerfall 169

13.3 Nachweis der Neutrinos 173

13.4 Nichterhaltung der Paritat 176

14 Phanomenologische Beschreibung 185

14.1 Die V-A-Form der schwachenWechselwirkung 185

14.2 Der Zerfall des Myons 187

14.3 Die Zerfalle Pion Lepton + Neutrino 188

14.4 Strom-Strom-Kopplung und der erhaltene Vektorstrom 190

14.5 Zerfalle der seltsamen Teilchen und die Universalitat 192

15 Die K0-Zerfalle 194

15.1 Erzeugung und Zerfalle 194

15.2 Regeneration 196

15.3 Oszillation der Intensitaten 198

15.4 CP-Verletzung 199

16 Neutrinophysik 201

16.1 Neutrinostrahlen und Detektoren 201

16.2 Elastische Neutrinostreuung 203

16.3 Unelastische Neutrinostreuung 206

16.4 Neutrale Strome 210

17 Versagen der bisherigen Theorie bei hohen Energien 214

17.1 Grenzen der Strom-Strom-Kopplung 214

17.2 Die intermediaren Vektorbosonen 214

18 Vereinheitlichte elektromagnetische und schwacheWechselwirkung 218

18.1 Spontane Symmetriebrechung 219

18.2 Spontane Symmetriebrechung bei Eichtheorien (Higgs-Mechanismus) 224

18.3 Die SU(2) × U(1)-Eichtheorie der elektroschwachenWechselwirkung 225

18.4 Einbeziehung der Hadronen 230

18.5 Experimentelle Prufung der GSW-Theorie 232

18.6 CP-Verletzung in B-Zerfallen 238

18.7 Neutrino-Oszillationen 244

Literatur 261

V Die starkeWechselwirkung 263

19 Charakteristische Eigenschaften 268

19.1 Wechselwirkung zwischen Nukleonen 268

19.2 Die π-Mesonen 269

19.3 Der Nukleonenspin 274

20 Die seltsamen Teilchen (Strangeness) 276

20.1 Kaonen 276

20.2 Hyperonen 279

21 Resonanzen 281

21.1 Baryonische Resonanzen 282

21.2 Mesonische Resonanzen 284

21.3 Hohere Resonanzen 289

22 Hadronische Prozesse bei hohen Energien 291

23 Das Quarkmodell der Hadronen 293

23.1 Ordnung durch Symmetrie: Die Multipletts von SU(3) 293

23.2 Die Hadronen im Quarkmodell 296

23.3 Massenrelationen, magnetische Momente 300

23.4 Quarks – eine neue Substruktur 304

24 Eichtheorie der starkenWechselwirkung 307

24.1 Die Grundvorstellungen der Quantenchromodynamik 307

24.2 Asymptotische Freiheit 310

24.3 Farbeinschlus 315

24.4 Modelle: Bag und String 318

24.5 Eichtheorie auf dem Gitter 320

24.6 Quarkonium 324

24.7 Experimentelle Prufung der QCD 327

Literatur 335

VI Ausblick 337

25 Die grose Vereinigung 337

25.1 VereinigteWechselwirkungen 337

25.2 Das SU(5)-Modell 340

25.3 Die Lebensdauer des Protons 343

25.4 Die Entwicklungsphasen des fruhen Universums 344

25.5 Die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie 346

25.6 Schlusbemerkungen 347

Literatur 348

Literaturverzeichnis 349

VII Tabellen-Anhang 355

Index 517