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

Lehrveranstaltungen:

• • Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik
    (Vorlesung, 3 SWS, Stefan Funk, Do, 14:00 - 16:00, HE; jede 2. Woche Fr, 14:00 - 16:00, HG)
  • Übungen zur Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik
    (Übung, 2 SWS, Stefan Funk et al., Do, 8:00 - 10:00, SRTL (307), SR 02.729, SR 00.103; Do, 12:00 - 14:00, SR 00.103, SRLP 0.179; Mi, 16:00 - 18:00, SR 00.732, 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. 2020w | NatFak | Physik (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien) | Module Fachwissenschaft Physik | Experimentalphysik 5 LA: 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 %

weitere Erläuterungen:
Freiwillige Zwischenprüfung: Für das vollständige und weitgehend korrekte Vorrechnen von ein bzw. zwei Übungsaufgaben in den Übungen wird ein Notenbonus für die Klausur von einer Notenstufe (0.3 oder 0.4) bzw. zwei Notenstufen (0.6 oder 0.7) vergeben.

Erstablegung: WS 2022/2023, 1. Wdh.: WS 2022/2023

1. Prüfer:

Stefan Funk