Das 'Standardbuch' ist
Povh: Teilchen und Kerne, Springer Lehrbuch
Dies deckt die Teilchenphysik
ganz gut ab. bei der Kernphysik fehlen aber Gebiete, die fuer die Pruefung
relevant sind. So sollten Sie ein Grundwissen haben zu Themen wie:
- Kernspaltung und Kernreaktoren,
Fusion.
- Energiegewinnung und Elemententstehung
in Sternen, Teilchenphysik der ersten 3 Minuten.
Diese Teile sind
im Demtroeder Experimentalphysik 4 ganz gut
aber eher extensiv behandelt.
Andere empfehlenswerte Buecher sind: Frauenfeld-Henley:
"Teilchen und Kerne", Oldenburg Verlag
Fuer die Teilchenphysik alleine ist Perkins:
"Hochenergiephysik", Addison-Wesley der Klassiker. Empfohlen
fuer Leute mit besonderem Interesse fuer die Teilchenphysik,
die auch noch zu einem Teilchenphysiker in die Pruefung
gehen wollen.
Natuerlich ist ein Lehrbuch 'Geschmackssache' und Sie
muessen sehen, mit welchen Sie am besten zurecht kommen.
*Wechselwirkung geladener Teilchen
mit Materie:
-Ionisation (Bethe-Bloch)
- Energieverlust
von Elektronen durch Ionisation und Bremsstrahlung. Die Strahlungslaenge
* Wechselwirkung von
Photonen: Photoeffekt, Compton- und Paarbildung vs. E(gamma)
*El. magn. Schauerbildung,
charkteristische Groessen
* Hadronische Schauerbildung:
inelastische WW, fehlende Energie..
* Der Cerenkoveffekt
Detektoren:
- Zeitmessung (
Bsp. Szintillationszaehler)
- Prinzip eines
Spurdetektors. Beispiel Gasdetektor (MWPC,Driftkammer) und Halbleiterzaehler
- Teilchenidentifizierung
durch Flugzeit, dE/dx, Cerenkovzaehler
- el. magn
Schauerzaehler : Prinzip und 1 Beispiel
- Hadronkalorimeter:
Prinzip und Beispiel
Testfragen:
* welche
Detektoren sind fuer die moeglichst genaue Messung der Gammaenergien in
der Kernphysik geeignet
(Energien von 100 kEV bis 2 MeV)?
* Wie kann
ich Pionen, Kaonen und Protonen im GeV bereich trennen? (Beispiele)
* wie lassen
sich Myonen und Elektronen im GeV Bereich identisfizieren
* erlaeutern Sie
am Beispiel eines LEP Detektors, wie sich die Zerfaelle Z--> e+e-, mu+mu-,
tau+tau- und Z--> quark antiquark trennen lassen.
koennen Sie quarkflavour identifizieren und wie?
* wann ist
es sinnvoll die Elektronenergie kalorimetrisch zu messen, wann ist eine
Impulsmessung besser? warum?
* Warum ist die
Energieaufloesung eines Hadronkalorimeters bei derselben Energie viel schlechter
als die eines elektromagnetischen
Kalorimeters. Was kann ich tun um die Aufloesung in beiden faelen moeglichst
gut zu machen?
Kinematik und Streuprozesse:
* Anwendungen relativistischer Kinematik auf Stossprozesse
-- wie transformieren sich
Energie und Impuls vom Schwerpunkts- ins Laborsystem
-- Lebensdauer und
mittlere Zerfallslaenge im Labor und CMS.
-- Invarianten bei Hochenergiereaktionen. Schwerpunktsenergie
und Impulsuebertag bei Streureaktionen.
* Wirkungsquerschnitt, Luminositaet und mittlere
freie Weglaenge
* Feynmandiagramme zur Charakterisierung von
Teilchenprozessen: phys. Bedeutung der Propagatoren und
Ladungen (Kopplungen) an
den Vertices. Beispiele.
* Grundwissen ueber wichtige Beschleuniger
der HEP.
Testfragen:
* wozu wird eine
hohe Schwerpunktsenergie benoetigt? Wie unterscheidet sich diese fuer fixed
target Experimente und Colliderexperimente fuer eine gegebene Beschleunigerenergie?
* HERA hat eine mittlere
Luminositaet von 10**31 cm**(-2)s**(-1). Die W-Produktion hat einen Wirkungsquerschnitt
von 10 pb. Wieviele Ereignisse werden in einer WW-Zone pro Jahr (10**7
sec) erzeugt?
* atmosphaerische Neutrinos
(E~ 1 GeV haben einen Absoptionswirkungsquerschnitt von ca. 10**(-36 )
cm**2. Was ist ihre mittlere freie Weglaenge in der Erde. Mit welcher Wahrscheinlichkeit
werden sie beim Durchgang durch die Erde absorbiert?
*Wieso kann man daran
denken einen Myonencollider (ECMS ` 1 TeV) zu bauen, obwohl Myonen
eine kurze Lebensdauer haben? Schaetzen sie ab wie schnell die Myonen im
collider zerfallen werden.
* zeichnen Sie die Feynmandiagramme
fuer die Bindung des Elektrons an das Proton im H-Atom und fuer
Charmonium mit Angabe
der Ladungen und ebenso den Verlauf der zugehoerigen Potentiale. Was ist
beiden
Systemen gemeinsam und Warum?
Worin liegt der Unterschied? Wann macht das Feynmandiagramm im Fall des
Charmoniums Sinn?
1) Strukturbestimmung:
-
Prinzip eines Streuexperiments, der differentielle Wirkungsquerschnitt
- raeumliche Aufloesung bei einem Streuexperiment
- Rutherford- und Mottstreuung an punktfoermigen
Teilchen, Form des WQ
- Streuung am ausgedehnten Target: ein typ.
Streuexperiment z.B. SLAC
a) elastische Streuung an Kernen
und am Nukleon: diff. WQ, Invarianten,die Formfaktoren
Ladungsstruktur
der Kerne und des Nukleons
b) inelastische e-Streuung: diff
WQ, Invarianten, die Strukturfunktionen
- Skalenverhalten
bei der e-Nukleonstreuung, Skalenvariable
- das Quarkpartonmodell,
Quarkdichten und Strukturfunktionen
Testfragen
zur Selbstkontrolle:
* wie misst man den elastischen
e-N Wirkungsquerschnitt, welche Messgroessen sind erforderlich?
(wie
wurde es z.B. an SLAC genmacht?)
* Warum braucht man hohe
Energien um kleine raeumliche Strukturen
aufzuloesen.
Haben Sie eine anschauliche physikalische Erklaerung?
* Ein e-Beschleuniger
hat die Elektronenergie 200 MeV. Kann ich damit
ein Streuexperiment
machen, das die Partonen im Proton nachweist?
* Welche unabhaengigen
Invarianten stehen bei elastischer/inelastischer
Streuung
zur Verfuegung? Wovon koennen die Formfaktoren/Strukturfunktionen
abhaengen?
* Wie viele unabhaengige
Formfaktoren gibts fuer die elastische e-N Streuung?
Koennen sie
deren physikalische Bedeutung angeben? Gibt es Voraussagen fuer
Q**2 =0 und
warum? Warum sind die Formfaktoren immer <= 1?
* Sagen die
Formfaktoren etwas ueber die raeumliche Ladungsverteilung aus?
Wie ist der
Zusammenhang?
* woraus folgt, dass es
punktfoermige Streuzentren im Proton gibt?
* welche Messergebnisse
legen nahe, dass man die Partonen mit Quarks
identifizieren
kann
* welche Bedeutung haben
die Skalenvariable x und y?
* was wissen wir ueber
die Quarkdichten und wie haengen sie mit den
Strukturfunktionen zusammen?
2) Quarkmodell und Hadronstruktur:(Uebersicht)
- Eigenschaften der Quarks, Quarkfamilien, Flavourquantenzahlen,
Farbladung
- wichtige Baryonen und Mesonen und ihre Quantenzahlen
Grundzustaende der 'stabilen Teilchen':
Baryon- und Mesonmultipletts
- Eigenschaften wichtiger Hadronen: ein Blick
in das particle data book
Nukleon, Pi-,K- Mesonen, Nukleonresonanzen,
Isospin
- Vektormesonen
Testfragen
zur Selbstkontrolle:
* wie sieht das Massenspektrum
der Quarks aus? Kann man Quarkmassen eindeutig messen; was ist die
Bedeutung
der Massen von
u,d,s-Quarks?
* Quarkzusammensetztung,
Multipletts der stabilen Hadronen
* welche Teilchen sind
im SM absolut stabil, wie zerfallen Teilchen mit
s,b,t-quarks?
Typische Lebensdauern?
* welche Quantenzahlen
bleiben bei der Erzeugung von Hadronen durch
starke und el.mag. WW
erhalten?
* Warum spielen Pionen
eine besondere Rolle? Wie werden Pionen in
einem Detektor nachgewiesen?
* wie sieht die Wellenfunktion
des Delta++ aus?
3) Elektromagnetische Wechselwirkung
- e+e- Speicherringe. Erzeugung von Lepton- und
Quarkpaaren, Elektron -
und Myonpaarerzeugung, diff. WQ.
- der hadronische WQ. Exp. Befunde zu R(had)
(Verhaeltnis von hadronischem WQ zum WQ fuer
Myonpaarerzeugung.
- Voraussagen des Quarkmodells: Feynmandiagramme,
R(had) , Resonanzerzeugung
- Jets und Fragmentation
-QED in hoeherer Ordnung:
g-2
von Elektron und Myon. Welche QED Korrekturen treten auf? Prinzip des (g-2)
Myon Experiments
Testfragen:
* warum faellt der Wirkungsquerschnitt
fuer Paarerzeugung wie 1/s ab? Wie sieht die Winkelverteilung fuer Myonpaarerzeugung
aus und warum?
Wieso ist das fur e+e- --> e+e-
anders aus?
* demonstrieren Sie an Hand der Hadronerzeugung
in e+e- dass es verschiedene Quarkflavours gibt und wie gross etwa deren
massen sind.
* welche Messungen zeigen, dass im Kontinuum
in der Tat Quark-Antiquark Paare erzeugt werden? Welche Eigenschaften der
Quarks werden getestet?
* was sind typische QED Koorekturen? Diskutieren
Sie das fuer (g-2) und die Lambshift.
* weshalb wird ein so grosser Aufwand getrieben
(g-2) beim Myon immer genauer zu messen? Wie ist das Prinzip der Messung?
* wie gross ist
ein Elektron bzw. ein Quark?
4) Schwache Wechselwirkung:
*die Leptonfamilien und deren Zerfaelle. Eigenschaften
der Neutrinos.
* die Quarkfamilien und deren schwache Zerfaelle,
Quarkmischung (CKM Matrix)
* die Staerke der schwachen Kopplung (geladener
Strom)
und die Reichweite der schwachen WW.
* Die Paritaetsverletzung: wie laesst sie sich nachweisen,experimentelle
Messung und Konsequenzen.
(* Experimente mit hochenergetischen
Neutrinos: Erzeugug von Neutrinostrahlen und tiefinelastische Neutrinostreuung)
* die Vektorbosonen (W,Z) : Erzeugung und ihre Zerfaelle.
Testfragen:
* woraus folgt, dass
es drei verschiedene Neutrinos gibt?
* welche Quantenzahlen
werden bei den schwachen Lepton- und Quarkzerfaellen verletzt, welche bleiben
erhalten?
* wie koennen Sie den
Cabibbowinkel bestimmen ( 1 Beispiel)
* wodurch ist die Lebensdauer
eines schwachen Zerfalls bestimmt? warum lebt das Neutron 15 Minuten und
das Lambda nur 10**(-10) sec?
* welche Messgroessen
erlauben es Paritaetsverletzung nachzuweisen. Welche Moeglichkeiten haben
Sie z.B. beim
n-Betazerfall?
* 'Fermionen sind Linkshaender'
bei der schwachen Wechselwirkung (mit W-Bosonen). Wie ist das beim Pionzerfall??
* wie haeufig zerfaellt
das W-Boson in Hadronen und wie haeufig in Leptonen?
5) Die elektroschwache Wechselwirkung:
* Grundideen der elektroschwachen Vereinheitlichung:
- geladene und neutrale Stroeme.
Beispiele: e+e- --> W+W- , elastische Neutrinostreuung am Elektron
- Beziehungen zwischen den Massen
der Vektorbosonen
* die Kopplungen von Fermionen an W-Bosonen und das
Z-Boson: Paritaetsverletzung? Rolle des schwachen Mischungswinkels.
- Form der geladenen
und neutralen Stroeme
- Anwendung: Verzweigungsverhaeltnisse von W-
und Z-zerfaellen.
* Physik der Z-Resonanz, drei Generationen von Neutrinos,Tests
der elektroschwachen
Wechselwirkung. Was
ist das Higgsboson was weiss man darueber?
Testfragen:
* wie werden W
und Z am e+e- Speicherring erzeugt, wie bei LHC? (Feynmandiagramme!), wie
kann die
Produktion bei
LHC nachgewiesen werden?
* wie verlaeuft
der e+e- WQ fuer e+e---> Hadronen und e+e----> 2 gamma zwischen ECM 50
und 200 GeV?
* Welche Konsequenzen
haette die Existenz eines 5. Neutrinos auf die Z0-Resonanz?
* wieso kann es in Atomen
Paritaetsverletzung geben? Wie gross ist der Effekt ungefaehr?
* wie
sieht der neutrale Strom fuer Quarks und Leptonen aus ? wovon haengt jeweils
die relative Staerke von Vektor und Axialvektorkopplung ab?
* was wurde bei
LEP ueber das Higgs gelernt? Dirkket und indirekt?
6) Die starke Wechselwirkung (QCD)
* Evidenz fuer Gluonen und Farbladung
* Eigenschaften der Gluonen, Selbstwechselwirkung
* die Grundprozesse der QCD q-q, q-g und g-g
Wechselwirkungen und deren Kopplungen.
* der Verlauf der Kopplungskonstanten alphas , asymptotische
Freiheit und confinement
und das phaenomenologische Potential zwischen Quarks
oder q-qbar.
* Jets und Fragmentation. Qualitative Erklaerung im Rahmen
der QCD.
* Beispiele fuer harte Streuprozesse und Bestimmungen von alphas:
- Multijetproduktion in e+e- Vernichtung bei hohen
Energien
- Erzeugung schwerer Teilchen und von jets am ppbar
collider ( top-Erzeugung, W-Erzeugung)
- die Aenderungen der Partonverteilungen
mit Q**2 in der tiefinelastischen Streuung (Skalenverletzungen).
Testfragen:
* nennen Sie experimentelle beweise
fuer die Existenz des Farbfreiheitsgrads.
* woher wisen wir, dass Gluonen Spin
1 haben und selbst Farbladung tragen?
* wie kann ich Top-Paare am Tevatron
und spaeter bei LHC erzeugen? Feynamndiagramme. Wie weise ich die Produktion
nach?
* wie sieht die Gluonimpulsverteilung
im Proton aus? Wie beschreibt man die Erzeugung schwerer Quarkpaare in
Hadronkollissionen?
* was sind Jets und wieso gibt
es sie? Was charakterisiert sie? Wie funktioniert die Fragmentation
und Jetbildung?
B) Zusammengesetzte Systeme
1) Quarkonia: Spektroskopie am Beispiel des Charmonium
* vergleichen Sie das Charmoniumspektrum
mit dem H-Spektrum. Zahl der Zustaende, Quantenzahlen
* wieso gibt es nur
zwei 'stabile' radiale Anregungen? Wie gross muss der Radius des
Psiprime ungefaehr sein?
* das Spektrum wurde wie
in der Atomphysik ueber elektromagnetische Uebegaenge bestimmt. In
welchem Bereich
liegen die Photonenergien und wie wuerden
Sie diese moeglichst genau messen?
2) Hadronspektroskopie
- Multipletts und Quarkwellenfunktionen fuer Mesonen und
Baryonen
- magnetische Momente der Baryonen
- Betazerfaelle: Fermis goldene Regel, V,A Struktur, Beispiele
Neutron- und Lambda-Betazerfall.
Testfragen:
* wie viele Mesonen gibt es fuer
einen festen Satz von Quantenzahlen Spin J,Paritaet p
?
* wodurch unterscheiden
sich K0 und Kobar? Wie zerfallen beide?
* warum haben Proton
und Neutron anomale magnetische Momente?
* Beim Lambdazerfall Lambda-->
p pi wurde Paritaetsverletzung zuerst beobachtet... allerdings war der
Effekt vor dem Wu Experiment
noch nicht
hinreichend signifikant. Was war die Messgroesse?
3) Eigenschaften von Kernen:
Phaenomenologie
- Nuklide, Isotope, Kernbindungsenergien
- Stabile Kerne und Kernzerfaelle in der (Z,A)
Ebene , schwerste Kerne
- natuerliche Radioaktivitaet
- statische Eigenschaften der Kerne: Kernradien,
Spin und magnetische Momente
Testfragen:
* warum hoeren die stabilen Kerne
bei Wolfram auf A=239? Warum gibt es 4 Zerfallskketten mit langen Lebensdauern?
Wieviel Betazerfaelle
gibt es pro Zerfallkette?
* wie und wo wird Energie durch
Fusion gewonnen? Welcher Fusionsschritt ergibt den groessten Gewinn?
* wieviele Betazerfaelle gibt
es fuer festes A? Geben Sie Beispiele.
* warum wird Energie
bei der Spaltung gewonnen? Warum sind die Spaltprodukte radioaktiv?
* warum laesst sich
U235 durch thermische neutronen splaten aber nicht U238? warum ist das
ungluecklich?
* wie sieht die Form
von Kernen aus fuer leichte und schwere Kerne?
4) Kernbetazerfall:
-- welche Zerfaelle sind moeglich? Lebensdauern, ft-Werte,
Kurieplot
- erlaubte und 'verbotene Zerfaelle, Fermi-und Gamov-Teller
Uebergaenge.
*warum gibt es Betazerfaelle
mit lebensdauern von Mikrosekunden bis 10**20 Jahren? Warum sind die Ft-Werte
so extrem unterschiedlich,warum lebt K40 10**10 Jahre?
* wie kann man die
masse des Elektronneutrinos eingrenzen?
5) Kernanregungen und Gammazerfaelle
- Multipoluebergaenge,
Moessbauereffekt
* was sind isomere kerne, wann tauchen sie
auf? Erklaerung im Schalenmodell?
* wieiunterscheiden sich die Gammauebergaenge
E1, E3 und M2?
* wie macht man kernresonanzspektroskopie?
Was zeichnet den Moessbauereffekt aus?
6) Kernkraefte und Kernmodelle:
- exp. Befunde zur Kernkraft. Reichweite, Saettigung, Isospininvarianz,
Mesonaustausch
- das Fermigasmodell
- das Schalenmodell: magische Kerne, Einteilchenpotential,
Anwendungsbereich
wichtigste Aussagen. ( Ein Heidelberger Muss!)
* wieso macht es Sinn von einem mittleren Potential
eines Nukleons zu reden, wie gross ist die mittlere freie Weglaenge
eines Nukleons im Kern?
* warum bevorzugen die Kernkraefte N=Z? warum
wird N>Z fuer gorsses Z. Was ist das schwerste stabile Nuklid mit N=Z?
Wodurch
ist das ausgezeichnet?
* was lernt man ueber die Nukleon-Nukleon
Wechselwirkung aus dem Deuteron?
* was zeichnet magische Zahlen aus und
wie kommen sie im Schalenmodell heraus? was laesst sich im Schalenmodell
vorhersagen?
* nennen sie Bereiche wo das Schalenmodell
versagen muss. Wieso?
7) Kernspaltung und Prinzip der Kernreaktoren.(Basiswissen
z.B/ aus Lehrbuechern der Sekundarstufe II)
- Kernphysik: spaltbare Kerne, Neutronbilanz, Moderation,
- prinzipieller Aufbau eiens Kernreaktors, radioaktives
Inventar
* in welche Bruchstuecke spalten Kerne? Wo
bleibt die freiwerdende Energie?
* warum sind thermische Neutronen fuer die
Kettenreaktion erforderlich und damit ein guter Moderator?
* wie wird ein Reaktor gesteuert. Warum genuegt
es nicht den reaktor abzustellen um einen Reaktorunfall zu vermeiden?
8) Fusion
-Fusionsreaktionen fuer Reaktoren,
Lawsonkriterium, Reaktortypen
-Fusionsreaktonen in Sternen:
- Hauptreihensterne, Neutrinos von
der Sonne?
- Grundwissen zur Elemententstehung in
den Sternen
* welche Fusionsreaktionen eignen sich besonders gut fuer die kntrollierte
Fusion und warum?
* wie funktioniert ein Tokhamak und wie weit
sind die Forscher?
* erklaeren sie das Hertzsprung-Russeldiagramm
* wie wird H zu He fusioniert? Wie viele und welche Neutrinos werden
dabei frei?
* wie und wo werden schwere Elemente erzeugt?
9) Astrophysik und Urknall
(dies sind sehr aktuelle Themen und eher als
'Einserfragen aktuell... dann macht sich ein Grundwissen aber gut.
Quellen: Kolloquia, Spektrum der Wissenschaft
etc. )
- Endstadien der Sterne:
weisse Zwerge, Neutronsterne, Schwarze Loecher
- der big bang: exp. Befunde,
Teilchenphysik in den ersten drei Minuten, die Hintergrundstrahlung
- Massenverteilung im Universum:
sichtbare Masse, dunkle masee und dunkle Energie
10 Aktuelle Fragen:
CP-Verletzung in
Kaon- und B-Mesonszerfaellen
Neutrinooszillationen
und Neutrinomassen.
* C,P und T Operationen, das CPT Theorem und
seine Aussagen.
* warum gibt es ein kurzlebiges und langlebiges
neutrales K-Meson. Wie zerfallen die jeweils?
* woher wissen wir dass CP im K-Zerfall verletzt
ist? Experimentelle befunde und deren Interpretation?
* wie taucht CP-Verletzung im Satndardmodell
auf?