Elementare Teilchen: Von den Atomen über das Standard-Modell bis zum Higgs-Boson

767 Pages·2013·11.822 MB·German

by  Jörn Bleck-Neuhaus (auth.)

Springer-Lehrbuch
Jörn Bleck-Neuhaus
Elementare Teilchen
Von den Atomen über das Standard-Modell
bis zum Higgs-Boson
2. Auflage
Prof.Dr.JörnBleck-Neuhaus
UniversitätBremen
Bremen,Deutschland
ISSN0937-7433
ISBN978-3-642-32578-6 ISBN978-3-642-32579-3(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-32579-3
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©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2010,2013
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Vorwort zur 2. Auflage
In den fast drei Jahren seit Erscheinen der 1. Auflage hat sich die Elementarteil-
chenphysikinetwasoweiterentwickeltwieerwartet.Insbesonderekonntesichdas
Standardmodellauch unter den fortgeschrittenstenTestbedingungenam Teilchen-
beschleuniger LHC bei Genf weiter bewähren. Überraschend war vielleicht, wie
schnell sich dort nach Überwindung der Anlaufschwierigkeiten kürzlich die An-
zeichenverdichtethaben,demHiggs-BosonnundichtaufderSpurzusein.Dafür
wurdeindas14.KapiteleinneuerAbschnittaufgenommenundderUntertiteldes
ganzenBuchsaktualisiert.Weiter gibtmirdie neueAuflagenatürlichdieersehnte
Gelegenheit,manchestilistischenStolpersteinezuglätten,diebedauerlichenDruck-
fehler der ersten Aufgabe(leider sogar bis in Formelnhinein) zu korrigieren,und
mich zu bedanken: bei den Leserinnen und Lesern für die erfreulichen Rückmel-
dungen(auchüberDruckfehler)1undbeiFrauDr.VeraSpillnervomVerlagfürdie
anhaltendeFörderung.
Bremen,August2012 JörnBleck-Neuhaus
1IchbitteumweitereRü[email protected].
v
Vorwort: Warum dieses Buch?
Moderne Physik wird der Teil der physikalischen Naturwissenschaft genannt, der
mitderEntdeckungundUntersuchungderQuanten–kleinsterEinheitenvonMa-
terieundkleinsterUmsätzevonEnergie–inderZeitum1900begannundimmer
nochanhält.ObwohlschonseitdemAltertumGegenstandmehroderwenigernatur-
wissenschaftlicherSpekulationen,zeigtensichdieseQuantenindenExperimenten
nun mit so neuartigen Eigenschaften, dass sie mit den damals etablierten Begrif-
fenderPhysik–zusammenfassenddieKlassischePhysikgenannt–nichtmehrzu
verstehenwaren.SohatderheuteaktuelleWissensstandderKern-undElementar-
teilchenphysikeinewechselvolleEntstehungsgeschichte,oftgekennzeichnetdurch
schockierend neue, immer noch schwer zu vermittelnde Begriffsbildungen. Dies
BuchfolgtdemAnsatz,dieEntwicklungsprozesseselberfüreinbesseresVerständ-
nisderschwierigenneuenBegriffenutzbarzumachen.
ManchangehendemPhysiker(gemeintsindab hierimmerbeideGeschlechter)
fällt es nicht gerade leicht, die Grundbegriffe der Modernen Physik wirklich an-
zunehmen,vor allem solche,denenvertrauteAnschauungenderKlassischen Phy-
sik,jadesgesundenMenschenverstandes,widersprechen.Quantenbedingungenund
Welle-Teilchen-Dualismus sind dafür nur die bekannteren Beispiele (und hier in
Grundzügen schon vorausgesetzt2), gefolgt von neuen Postulaten wie Spindreh-
impuls, Antiteilchen, Erzeugungund Vernichtungvon Materie, ununterscheidbare
Teilchen, virtuelle Teilchen, verschränkteZustände, verletzte Spiegel-Symmetrien
etc. Alldiese BegriffekennzeichnenwissenschaftlicheDurchbrüchegegendasje-
weilsherrschendeVorverständnis.Siewarendaherallesanderealseinfachundun-
bestritten – ähnlich wie früher schon Newtons Mechanik, Maxwells Elektrodyna-
mik,EinsteinsRelativitätstheorie.SodürfteesauchheutigenStudentengehen:Ihre
eigeneVorbildunginklassischerPhysikistzwarVoraussetzungdafür,dieWegezu
denneuenEntdeckungenmitzugehen.Siekannesihnenaberaucherschweren,sich
das aktuellephysikalischeBild vonden fundamentalenKonstituentender Materie
undderKräftewirklichanzueignen,esmitdemWissenüberdieklassischePhysik
2Ebenfallsvorausgesetzt:GrundkenntnisseindenWerkzeugenderQuantenmechanikwieSchrö-
dinger-Gleichung, Wellenfunktion, Zustandsvektor, Operatoren, Eigenwerte, Matrizen, Hilbert-
Raum,Pauli-Prinzip.
vii
viii Vorwort:WarumdiesesBuch?
zu verbindenund den richtigen Umgang mit beiden zu lernen. Zumal ihr Vorver-
ständnis sich nicht nur in ihrem alltäglichen Leben sondern bisher auch in ihrem
Physikstudium durchaus bewährt haben dürfte und keinesfalls nun über Bord ge-
worfengehört.GanzimGegenteil:EinoffenerUmgangmitdenwidersprüchlichen
AspektenvonklassischerundmodernerPhysikkanndieAuseinandersetzungnach
beidenSeitenproduktivmachenundbeideBegriffsweltenintegrieren.
Mit dieser Problematik stehen die Physiker in der besten Tradition ihrer Wis-
senschaft. Nicht erst seit dem Entstehen der Modernen Physik mussten sie sich
darin üben, ihre Konzepte und Kategorien für Wahrnehmung und Erklärung, die
aus dem praktischen Leben heraus entstanden waren, aufgrund widersprüchlicher
experimentellerBeobachtungenimmer wieder kritisch zu analysieren und, wo er-
forderlich,durchandere–notwendigwenigeranschauliche,abstraktere–zuerset-
zen. Erwähnt seien hier wieder die durch Galileis Trägheitsprinzip und Newtons
Kraftgesetz schließlich erreichte Überwindung der Aristotelischen Mechanik, die
in Einsteins Spezieller Relativitätstheorie notwendiggewordeneVerknüpfungvon
Raum und Zeit, und künftig vielleicht die noch weitaus seltsamer erscheinenden
IdeenüberweitereDimensionendesWeltallsoderüberSchleifenimFortschrittder
Zeit.
Damitsollnichtgesagtwerden,dassnichtauchandereWissenschaftenihre„ko-
pernikanischenWendepunkte“hatten– z.B. als die Vorstellungvon derScheiben-
formderErdeaufgegebenwurde,oderdieVorstellungderUnveränderlichkeitihrer
geographischenBeschaffenheitundderLebensformendarin,oderalsinderMathe-
matik dieInfinitesimalrechnungoderin derPsychologiedasUnbewussteentdeckt
wurde.AuchistPhysiksichernichtdieabstraktesteallerWissenschaften,manden-
kenuranMathematikoderPhilosophie.Dochscheintesso,dassdiePhysikerdurch
einebesondersharteLehregegangensind,undwomöglichdeshalbgenötigtwurden,
eineerkennbareigeneArtdesDenkenszuentwickeln.3
DenndiePhysikhatsichinbesonderemMaßdazuverpflichtet,zwischenihren
meistens unterMühenherausgearbeitetenGrundbegriffen,auchden abstraktesten,
unddenPhänomenen,auchdenunmittelbaranschaulichender„direkten“Wahrneh-
mung,ständigeinesichereVerbindung,einenbeidseitigenBrückenschlagzuleisten.
Ihr(selbstgewähltes)Zielistja,dieVorgängeder(materiellen)WeltinallenGrö-
ßenordnungenvon Zeit und Raum als Folge einheitlicher Prinzipien und Gesetze
zu verstehen.Daher begegnenPhysiker wohl seit jeher mit besonderer Häufigkeit
demGegensatzzwischenderEinfachheitdermitdenSinnenscheinbarunmittelbar
aufgenommenenPhänomeneunddemAbstraktionsgradderzuihrerInterpretation
benötigtenBegriffe.
In derAnnahme,dassdie Schwierigkeitenbeim Physiklernenheutehäufigden
Widerständenähneln,mitdenenseinerzeitdie Entdeckerder neuenKonzepte,bei
sichselberundinderFachwelt,zukämpfenhatten,wirdhierstärkeralsinanderen
LehrbüchernderProzessderHerausbildungderNeuerungenverarbeitet–durchaus
auch aus der Rückschau mit dem Wissen von heute. Ziel ist, auf diese Weise ein
profunderesphysikalischesVerständnis für die schwierigen Befunde und Begriffe
3dieinderSchuleauchschwierigzuunterrichtensei.
Vorwort:WarumdiesesBuch? ix
zu fördern, die für die Erforschung des Mikrokosmos erarbeitet werden mussten.
Obgleichsienichtseltenrevolutionäranmuteten,sindsieheuteauchausderange-
wandtenPhysikodersogardemAlltagnichtmehrwegzudenken.Damitkanndiese
DarstellungaucheinelehrreicheSchuleseinimHinblickdarauf,dassdiePhysikei-
nedynamischeNaturwissenschaftundauchheuteinständigerWeiter-Entwicklung
begriffenist.
InhaltderfolgendenKapitel:
1. Atome,unddiezweierstenwirklichenElementarteilchen
2. RadioaktiveStrahlenundderWeginsInnerederAtome
3. EntdeckungdesAtomkernsmitdenMittelnderklassischenPhysik
4. MasseundBindungsenergiederKerne,EntdeckungvonProtonundNeutron
5. Stoßprozessequantenmechanisch
6. PhysikderRadioaktivenStrahlen
7. StrukturderKerne:Spin,Parität,Momente,Anregungsformen,Modelle
8. NukleareEnergie,EntwicklungderSterne,EntstehungderElemente
9. ElektronundPhoton:WasElementarteilchensindundwiesiewechselwirken–
DieQuanten-Elektrodynamik
10. DasElektronalsFermionundLepton
11. Proton,Neutron,PionundderHadronen-Teilchenzoo
12. SchwacheWechselwirkungundGebrocheneSymmetrien
13. StarkeWechselwirkungundQuark-ModellderHadronen
14. StandardmodellderElementarteilchen
15. ZwölfwesentlichneueErgebnissederElementarteilchenphysik
DieseGliederungfolgtderbegrifflichenEntwicklungderphysikalischenVorstel-
lungenungefährinihremhistorischenAblauf,wobeiinWirklichkeitnatürlichalles
vielzuengmiteinanderverwobenwar,alsdassmanesinsoklarerAbfolgedarstel-
lenkönnte.ZahlreicheQuerverweise,Vor-undRückgriffezwischendeneinzelnen
KapitelngebendavoneinenEindruck.Siesindunvermeidlich,bezeugenaberauch
denengenZusammenhangderverschiedenenZweigedesphysikalischenDenkens.
JedemKapitelisteinÜberblickvorangestellt,dervorwegwichtigeErgebnissekurz
vorstellt und zugleich in den Zusammenhang der ganzen Entwicklung einordnet.
DieseÜberblickesindauchalszusammenhängenderTextlesbar,wenndieausführ-
lichenDarstellungenimHauptteiljedesKapitelsübersprungenwerdensollen.Um
das Lesen eines einzelnen Kapitels zu erleichtern, ohne alle vorhergehendenprä-
senthabenzumüssen,wirdandieBedeutungeinigerGrundbegriffeimmerwieder
einmalmitkurzenWortenerinnert.
DieganzeDarstellungbemühtsichvorallemumdieVermittlungvonVerständ-
nis,sowohlbeidenEinzelheitenalsauchdenZusammenhängen.Diedafürnötige,
möglichstsorgfältigeundlückenloseArgumentationerfordertdannoftmehrRaum
alsdieknappsteexakteDarstellung,zumaleinegewisseNähezuAlltagsphänome-
nenundzurUmgangssprachedurchausbeabsichtigtist,geradeauchumandenfür
diePhysikessentiellenBrückenschlagvomundzumAlltagzuerinnern.Dazugehö-
renauchFragen,dielaienhafteinfachklingenmögen,weshalbsieinLehrbüchern
x Vorwort:WarumdiesesBuch?
gewöhnlichgarnichtmehrauftauchen,dieaberzurAbrundungundIntegrationdes
dargestellten Spezialwissens hilfreich sein können.4 Mit den Worten von Richard
Feynman:Nurwasmaneinfachausdrückenkann,hatmangutverstanden.
Die eingestreuten Fragen und Aufgaben sind nicht als systematische Überprü-
fungdesbeabsichtigtenLernzielsgedacht,sondernalsAnregungandieLeser,auch
selber Querverbindungeninnerhalbdes Kapitels, des Buchs oder sogarder weite-
renPhysikundWissenschaftherzustellen.ImmerliegtdieAntwortbzw.Lösungin
Reichweite,wirdaber,umdenLeseflussnichtzusehrzuunterbrechen,gleichmit
angegeben.
Von den zahlreichen guten Lehrbüchern, die es zu diesen Themen schon gibt,
werdenoftExperimentalphysikBd.3und4vonW. Demtröder(Literaturverzeich-
nis [61, 62]) und Elementarteilchenphysikvon C. Berger [25] zitiert. Häufig wur-
de,quasialsWegweiser zudenoriginalenSchauplätzen,dieOriginal-Literaturals
Quelleherangezogen,auchwennsienunseitvielenJahrzehntenfastnurnochauf
Englischerscheint–einedersichtbarenFolgenderVertreibungunzähligerWissen-
schaftlererstausDeutschlandunddannausdenvonihmbesetztenLändern.Daher
sindauchinAbbildungendieBeschriftungenoftaufEnglisch.
DerTextentstandausderKursvorlesunganderUniversitätBremenfürPhysik-
Studierendeabdem5.SemesterimZyklus„HöhereExperimentalphysik“.Bekannt-
schaftmitQuantenmechanik–etwaaufdemNiveaueinesGrundkurs-IV„Quanten-
physik“–istvorausgesetzt.DieVorlesungistnichtalsVorbereitungaufeineSpe-
zialisierung in diesem Gebiet entwickeltworden. Vielmehrsollen die angehenden
Physiker Kenntnisseüber die subatomarePhysik mitnehmen,die zum Allgemein-
wissenihresFachszählendürfen.DasgiltauchfürdiesesBuch.AlsZielgruppeist
dahernebenden Physik-StudierendenvorihremB.Sc.-Abschlussauchan Physik-
LehrendeanSchulenoderHochschulengedacht.
Bedanken möchte ich mich vor allem bei meinen Studentinnenund Studenten,
die durch Fragen, Kritik, Ermunterung und Anregungen über die Jahre erheblich
dazubeigetragenhaben,dieEntwicklungderArgumentationunddieArtihrerDar-
stellungzuverbessern.(ManchezogenaucheinmehrtraditionellesLehrbuchüber
denaugenblicklichenStanddesWissensvor,wovonesjaeinereicheAuswahlgibt.)
Zahlreichen Kollegen aus älterer und jüngererZeit danke ich ebenfallsfür Kritik,
Anregungenund Hinweise auf Fehler. Auch die hoffentlichzahlreichenkünftigen
LeserinnenundLesersindgebeten,mirihreBemerkungenzumBuchmitzuteilen.
Bremen,Januar2010 JörnBleck-Neuhaus
4DarausergabensichzahlreichefüreinLehrbucheherunkonventionelleBemerkungenunddamit
auchentsprechendeStichwortefürdasalphabetischeRegisteramSchlussdesBuchs,umsiewieder
aufzufinden–nebenbeieineEinladung,dortherumzustöbern.
Symbole, Schreibweisen, Abkürzungen
aE;bE;:::;a;b;::: VektorenimR3undderenBeträge
(aE(cid:2)bE),aE(cid:3)bE Skalarprodukt,Vektorprodukt
j i, .t;rE/ Zustandsvektor,Wellenfunktion
OO (OO(cid:2)) OperatorfürdiephysikalischeGrößeO (hermitesch
konjugiert)
hxi,x Erwartungswert/MittelwertderGrößex
aO(cid:2);aO Erzeugungs-bzw.Vernichtungsoperator
ŒAO; BO(cid:2) Kommutatorbzw.AntikommutatorDAOBO˙BOAO
˙
a Beschleunigung
Reichweite-oderAbschirm-Parameter
˛ ˛-Teilchen
SommerfeldscheFeinstrukturkonstante
A Atomgewicht
Fläche
Aktivität
AnzahlNukleonenimKern
Baryonenladung
AE Vektorpotential(BEDr(cid:3)AE)
A(cid:3) elektrodynamisches4-Potential(˚=c; AE)
a BohrscherRadius(H-Atom,(cid:4)0;053nm)
Bohr
a ReichweitederNukleon–Nukleon-Kraft
NN
ˇ Elektron/Positronausˇ-Radioaktivität
Geschwindigkeitalsv=c
b Stoß-Parameter
bottom-Quark
B neutralesAustausch-Bosonderelektroschwachen
Wechselwirkung
Farbladungblau
B-Meson
B ;:::;B TermedesTröpfchenmodells
1 5
BE,B magnetischesFeld(Vektorbzw.Betrag)
xi
xii Symbole,Schreibweisen,Abkürzungen
cO(cid:2);cO Erzeugungs-bzw.Vernichtungsoperator
c Lichtgeschwindigkeit
charm-Quark
CO; C Ladungskonjugationbzw.Quantenzahl
CMS Schwerpunktsystem(centerofmasssystem)
c ;c spezifischeWärmebeikonstantemDruckbzw.Volumen
P V
ı Differenz
Deformationsparameter
Diracscheı-Funktion
(cid:3) Differenz
(cid:3)-Teilchen
d Deuteron
down-Quark
d(cid:4)=d˝ differentiellerWirkungsquerschnitt
DE elektrischesDipolmoment
(cid:5) Nachweiswahrscheinlichkeit(efficiency)desDetektors
(cid:6) PhasebeiderStreuungamCoulomb-Potential
Coulomb
e Elektron
elektrischeElementarladung(positiv)
e Zahl eD2;71828:::
E Energie
EE,E elektrischesFeld(Vektorbzw.Betrag)
E ,E Bindungsenergie,Ionisierungs-Energie
B Ion
E BindungsenergiedesH-Atoms(13;6eV)
H
E ;E BindungsenergiedesElektronsinderK-bzw.L-Schale
K L
E ,E ,E kinetische,potentielleundRotations-Energie
kin pot rot
E Fermi-Energie
Fermi
EC Elektronen-Einfang(electroncapture)
f AnzahlderFreiheitsgrade
Streuamplitude
Funktion
F Faraday-Konstante(DeN )
A
Kraft
Fläche
Formfaktor
Gesamtdrehimpuls-QuantenzahldesAtoms
(cid:7) (cid:7)-Quant,Photon
Lorentz-Faktor
Dirac-Matrix
NewtonsGravitationskonstante
g g-Faktor(magnetischesMoment)
Erdbeschleunigung
g KopplungskonstantederWechselwirkung
Gluon
G Gamov-Faktor