Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik (EP-5)7.5 ECTS
(englische Bezeichnung: Experimental Physics 5: Nuclear and Particle Physics)
(Prüfungsordnungsmodul: Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik)

Lehrveranstaltungen:

• • Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik
    (Vorlesung, 3 SWS, Christopher van Eldik, Do, 14:15 - 15:45, HD; jede 2. Woche Fr, 8:15 - 9:45, HD)
  • Übungen zur Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik
    (Übung, 2 SWS, Christopher van Eldik, Do, 8:00 - 10:00, SRTL (307), TL 1.140, SR 00.103; Do, 12:00 - 14:00, SRTL (307), HF, TL 1.140; Mi, 16:00 - 18:00, TL 1.140, SR 00.103)

Inhalt:

• Einführung

Natürliche Einheiten, relativistische Kinematik; Überblick: Elementarteilchen und fundamentale Wechselwirkungen, Konzept der Austausch-Wechselwirkung, Antiteilchen, Aufbau der Materie (Nukleon -> Kern -> Atom); Feynman-Diagramme, konzeptioneller Aufbau: Matrix-Element, Propagator, Kopplung, Crossing-Symmetrie, Prozesse höherer Ordnung; Symmetrien und Erhaltungssätze: (Energie, Impuls, Drehimpuls), C, P, CP, CPT

• Experimentelle Methoden

Wirkungsquerschnitt total/differentiell, Lebensdauer; Wechselwirkung von Teilchen mit Materie, Abschwächungslänge, Bethe-Bloch, Bremsstrahlung; Grundbegriffe der Dosimetrie

• Kerne: Aufbau, Masse, Bindungsenergie

Bezeichnungen, Nuklidkarte, Entdeckung von Proton und Neutron; Kernmassen: Messung, atomare Masseneinheit; Bindungsenergien, Tröpfchenmodell (Weizsäcker-Massenformel)

• Weiterführende Kernmodelle

Nukleon-Nukleon-Potenzial, Yukawa-Potenzial; Fermi-Gas-Modell; Schalenmodell

• Kernzerfall und -Spaltung

Zerfallsarten (Kategorien: Alpha, Beta, Gamma, Kernspaltung); Aktivität und Zerfallsketten; Alpha-Zerfall (Potentialtopfbeschreibung, Tunnelwahrscheinlichkeit, Gamov-Faktor, Lebensdauer); Beta-Zerfall und Elektroneinfang (Fermi-Konstante, Beta- Spektrum/Curie-Plot (Phasenraumfaktor), Massenparabeln, doppelter Betazerfall: mit/ohne Neutrinos); Zerfallsreihen; Kernspaltung (spontan/induziert, Aktivierungsenergie, Wirkungsquerschnitt, Kettenreaktionen, Kernreaktoren); Zerfall angeregter Kernzustände (Niveauschemata, J und Parität, Multipolstrahlung, Übergangswahrscheinlichkeit, Isomere)

• Streuprozesse, Kern- und Nukleonstruktur

Kinematik elastischer Streuung, QED-Prozess, Coulomb-Streuung, Rutherford-Querschnitt; Elektron-Kern-Streuung, Formfaktoren, geometrische Gestalt von Kernen; Rückstoßkorrektur, Spineffekte, Mott-Querschnitt; Elektron-Nukleon-Streuung (Rosenbluth-Formel, Formfaktoren, Ladungsdichte in Proton und Neutron); Quasi- elastische Streuung, Anregungszustände des Protons; Tiefinelastische Streuung, Strukturfunktionen, Partonverteilungen

• Starke Wechselwirkung, QCD

Regeln der QCD (Farbladungen, Gluonen, Kopplung (Feynman-Diagramme), starke Kopplungskonstante); Laufende Kopplungskonstante, Kraft zwischen Farbladungen, Confinement, Asymptotic Freedom; Starke Wechselwirkung in Teilchenreaktionen (Erhaltungsgrößen, e⁺e^- -> Hadronen, Quarkonia, Hadronisierung, Jets, Isospin und Hadron-Multipletts, Clebsch-Gordan-Koeffizienten)

• Schwache Wechselwirkung

W- und Z-Bosonen (geladene und neutrale Ströme), Propagator; W-Quark-Kopplung, Cabibbo-Winkel, CKM-Matrix, Z-Kopplungen; Paritätsverletzung (Wu-Experiment), Chiralität und Helizität; Schwache Prozesse im Experiment: Pion-Zerfall, Myon-Zerfall, K-Zerfall, Produktion reeller W- und Z-Bosonen, Zahl der leichten Neutrino-Flavours; Ladungskonjugation, CP-Verletzung (K-System); Neutrinos: Massen und Oszillationen (direkte Massenmessung, Evidenz für Oszillationen, PMNS-Matrix)

Lernziele und Kompetenzen:

Die Studierenden

• erläutern und erklären die experimentellen Grundlagen und die quantitativ-mathematische Beschreibung der Kern- und Teilchenphysik gemäß den detaillierten Themen im Inhaltsverzeichnis

• wenden die physikalischen Gesetze und jeweiligen mathematischen Methoden auf konkrete Problemstellungen an

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. Physik (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien)
   (Po-Vers. 2010 | Module Fachwissenschaft Physik | Struktur der Materie | Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Klausur zur Experimentalphysik 5 (Prüfungsnummer: 67411)

Prüfungsleistung, Klausur, Dauer (in Minuten): 90, benotet

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

Erstablegung: WS 2014/2015, 1. Wdh.: SS 2015

1. Prüfer:

Christopher van Eldik

Termin: 11.02.2015, 10:00 Uhr, Ort: HG, HH
Termin: 24.04.2015, 16:00 Uhr, Ort: HH