Experimentalphysik 4: Kern-, Teilchen- und Astrophysik PDF
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Wolfgang Demtröder Experimental- physik 4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik 4. Aufl age Springer-Lehrbuch Experimentalphysik Band1 MechanikundWärme 6.Auflage ISBN978-3-642-25465-9 Band2 ElektrizitätundOptik 6.Auflage ISBN978-3-642-29943-8 Band3 Atome,MoleküleundFestkörper 4.Auflage ISBN978-3-642-03910-2 Band4 Kern-,Teilchen-undAstrophysik 4.Auflage ISBN978-3-642-21475-2 Wolfgang Demtröder Experimentalphysik 4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik 4.,überarbeitete undaktualisierte Auflage WolfgangDemtröder TUKaiserslautern FachbereichPhysik Erwin-Schrödinger-Str.46 67663Kaiserslautern Deutschland e-mail:[email protected] ISSN0937-7433 ISBN978-3-642-21475-2 ISBN978-3-642-21476-9(eBook) DOI10.1007/978-3-642-21476-9 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;detailliertebiblio- grafischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerSpektrum ©Springer-VerlagBerlinHeidelberg1998,2005,2010,2014 DasWerkeinschließlich allerseinerTeileisturheberrechtlich geschützt.JedeVerwertung,dienichtausdrücklich vom Urheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.DasgiltinsbesonderefürVervielfäl- tigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspeicherungundVerarbeitunginelektronischen Systemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkberechtigtauchohne besondereKennzeichnung nichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinnederWarenzeichen-undMarkenschutz- Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften. Lektorat:VeraSpillner,StefanieAdam Einbandentwurf:deblik,Berlin GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier SpringerSpektrumisteineMarkevonSpringerDE.SpringerDEistTeilderFachverlagsgruppeSpringerScience+Busi- nessMedia. www.springer-spektrum.de Vorwort zur vierten Auflage Seit dem Erscheinen der 3. Auflage 2009 sind sowohl in der Kern- und Hochenergiephy- sik als auch besonders in der Astrophysik wichtige neue Entdeckungen gemacht worden, welche bestehendeTheorien bestätigen aberauch zu revidierten Vorstellungen über grund- legende Modelle und Theorien führen können. Beispiele in der Teilchenphysik sind die EntdeckungdesHiggs-BosonsamCERNunddieMöglichkeiten,mitneuenBeschleunigern neue Teilchen, z.B. supersymmetrische Teilchen oder WIMPS (weakly interacting massi- ve particles) zu entdecken, in der Kernphysik die Untersuchung von instabilen Kernen mit großem Neutronenüberschuss oder die künstliche Erzeugung neuer Transurane am Darm- städterBeschleunigerGSI. In der Astrophysik hat die genauere Vermessung geringer Anisotropien der Hintergrund- strahlung detaillierte Informationen über das frühe Stadium unseres Universums gebracht. Die Diskussion über die dunkle Materie und die dunkle Energie hat Möglichkeiten auf- gezeigt, wie diese bisher unverstandenen Größen vielleicht experimentell geprüft werden können.DiegenaueVermessungvonSupernovaeinfernenGalaxienhatgezeigt,dassdiese als Entfernungsstandards benutzt werden können, die zu einer verbesserten Entfernungs- skala im Universum geführt haben und es wurde gezeigt, dass sich das Universum zurzeit beschleunigtausdehnt.DiegelungeneLandungdesRoboters„Curiosity“wirdwohldiebis- hergenauesteUntersuchungderMarsoberflächeundderchemischenZusammensetzungdes MarsgesteinsundderMarsatmosphärebringen.Die Entdeckungvieler„extrasolarerPlane- ten“hatdieFragenachderMöglichkeitvonintelligentemLebenaußerhalbunsererErdeneu entfacht. In dieserneuen4.Auflagesind FehlerundUngenauigkeitender3.Auflagekorrigiertwor- den,einigeAbschnitte neuformuliert worden,umeinegrößereKlarheitderDarstellungzu gewinnen.AußerdemwerdendieobenerwähntenneuerenEntwicklungenausführlicherdis- kutiertundAusblickeaufmöglicheStoßrichtungendergegenwärtigenForschunggegeben. DerAutordanktallenLesern,dieaufFehlerhingewiesenundKorrekturvorschlägegemacht haben.InsbesonderemöchteichHerrnPeterStaub,TUWien,danken,dersichsehrintensiv umKorrekturenbemühthat. Ich danke Frau Dr. Spillner für die Organisation bei der graphischen Gestaltung und beim DruckundFrauKrokebeiderFirmale-texpublishingservicesfürLayoutundDruck. Kaiserslautern, imMai2013 WolfgangDemtröder Vorwort zur dritten Auflage Die Astrophysik, welche den Abschluss des vierbändigen Lehrbuches über Experimen- talphysik bildet, braucht fast alle Gebiete der Physik zur Erklärung der beobachteten Phänomene.SowohldieMechanik,alsauchThermodynamik,Hydrodynamik,Elektrodyna- mik,Atom-undMolekülphysik,Plasmaphysik,KernphysikundHochenergiephysikwerden benötigt,umSternmodelleundVorstellungenüberdenKosmoszuentwickeln.Deshalbsteht die Astronomie und Astrophysik am Ende dieser Lehrbuchreihe, nachdem der Leser aller 4BändemitdenobengenanntenGebietenvertrautist. SeitdemErscheinender2.AuflagevonBand4,wurdensowohlinderKern-undHochener- giephysik, als auch insbesondere in der Astrophysik viele neue experimentelle Techniken eingeführt, die zu neuen, aufregenden Ergebnissen geführt haben. Beispiele für die Hoch- energiephysik sind neue Detektoren für die Erzeugung elementarer Teilchen bei hochener- getischenZusammenstößenvonElektronenoderHadronen,welchegleichzeitigdieArtder erzeugten Teilchen, sowie deren Energie, Impuls und Streuwinkel messen können. Ein be- sonderesHighlightistdieFertigstellungdesweltweit größtenTeilchenbeschleunigersLHC am CERN im Sommer 2009, sowie neue theoretische Ansätze zur Erweiterung des Stan- dardmodellsderTeilchenphysik. InderAstrophysiksindeineReihevonerdgebundenenGroßteleskopengebautworden,wel- chedieTechnikenderadaptivenundaktivenOptikinverbesserterFormbenutzenundsogar mehrereTeleskope zueinemSterninterferometerimoptischenBereichvereinigenkonnten. Dies hat bewirkt, dass neben der wesentlich größeren Lichtstärke auch die Winkelauflö- sungerheblichverbessertwerdenkonnte,sodassengbenachbarteSterneimZentrumunserer Milchstraße,wodieSterndichtesehrgroßist,nochaufgelöstwerdenkonnten.Vieleneuedie Erde umkreisenden Satelliten, wie z.B. das Hubble Space Telescope oder der Satellit KO- BEzurUntersuchungderMikrowellen-HintergrundstrahlungsowiezahlreicheRaumsonden habenunsereKenntnisüberunserPlanetensystemundvorallemüberunserUniversumund seinen Zustand vor vielen Milliarden Jahren wesentlich erweitert und neue Informationen überdiezeitlicheEntwicklungunddieDynamikunseresUniversumsgeliefert. Die AuswertungderDatendesHYPARCOS Satelliten,welcherdieEntfernungvielerSter- ne mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen hat, konnte manche Diskrepanzen über dasAltervonKugelsternhaufen,dieausfehlerhaftenEntfernungsbestimmungenentstanden waren,beseitigen. Diese neuen Erkenntnisse haben auch neue Fragen aufgeworfen, die bisher noch nicht be- antwortetwerdenkonnten.BeispielesinddiewahrscheinlicheExistenzvondunklerMaterie unddunklerEnergie,überderenphysikalischeErklärungnochvielspekuliertwird. IndervorliegendendrittenAuflage,werdeneinigedieserneuenEntwicklungenvorgestellt, umdemLesereineVorstellungvondenheutediskutiertenProblemenzugeben. Die im Inhaltsverzeichnis mit * gekennzeichneten Abschnitte können für Leser, die sich nichtsoeingehendmitdemStoffbeschäftigenwollen,überschlagenwerden. DerAutordanktallenLesern,StudentenundKollegen,dieKorrekturenundVerbesserungen derDarstellungangeregthaben.InsbesonderedankeichHerrnPeterStaubvonderTUWien, fürvieledetaillierteVorschlägebeiderNeuauflage. VIII VorwortzurdrittenAuflage FrauSteffiHohenseevonderFirmale-texpublishingservicesGmbHLeipzig,dieDruckund Layout überwacht hat, gebührt mein Dank und ebenso Herrn Dr. Thorsten Schneider vom Springer-VerlagfürseineständigeUnterstützungwährendderArbeitandiesemLehrbuch. Ich hoffe, dass diese Neuauflage das Interesse vieler Leser findet und die Begeisterung für dasfaszinierendeGebietderAstronomieweckt.DerAutoristdankbarfürjedenHinweisauf FehlerodermöglicheVerbesserungen.AuchFragensindwillkommen.Jedediesbezügliche e-mailwirdsoschnellwiemöglichbeantwortet. Kaiserslautern, imJuni2009 WolfgangDemtröder Vorwort zur zweiten Auflage In den sieben Jahren seit dem Erscheinen der ersten Auflage haben sich sowohl auf dem Gebiet der Kern- und Teilchen-Physik, als auch vor allem in der Astrophysik viele neue Erkenntnisse ergeben, die auf der Entwicklung neuer experimenteller Techniken, der Auswertung experimenteller Daten und auf verfeinerten theoretischen Modellen beruhen. So wurden z.B. mit dem großen Neutrino-Detektor Superkamiokande in Japan die Um- wandlung von Myon-Neutrinosin Elektron-Neutrinos nachgewiesen.Das top-quark wurde entdeckt und schloss damit eine Lücke in der vorhergesagten Mitgliederzahl der Quark- familien. Die bei der tief-inelastischen Streuung von hochenergetischen Elektronen und PositronenentstehendenTeilchen(sowohlHadronenalsauchLeptonen)wurdeninzwischen sehr detailliert untersucht. Die Ergebnisse scheinen bisher alle in Einklang mit dem Stan- dardmodellderTeilchenphysikzusein. Die Verzahnung von Teilchenphysik und Astrophysik bzw. Kosmologie hat sich als sehr fruchtbar erwiesen für die Entwicklung von genaueren Modellen über die Entstehung des Universums. Die vom Weltraum-Teleskop Hubble aufgenommenen Bilder haben uns ganz neue Einblicke in die Frühzeit unseres Universumbeschert, und die Anwendung deradap- tivenundaktivenOptik,sowiedieEntwicklungderStern-Interferometrie imoptischenund nahenInfrarot-BereicherlaubtendieMessungvonPositionundBewegungeinzelnerSterne in der Nähe des galaktischen Zentrums. Die Ergebnisse zeigen, dass im Zentrum unserer GalaxieeinriesigesSchwarzesLochvorhandenist. Die Auswertung der Parallaxen-Messungen des Satelliten HIPPARCOS konnte die Ent- fernungsskala innerhalb unserer Milchstrasse korrigieren und damit andere Methoden zur Entfernungsmessungneukalibrieren.DeminterstellarenundintergalaktischenMediumwur- de neue Aufmerksamkeit geschenkt und eine Reihe von Beobachtungstechniken auf seine Untersuchung angewandt. Die Ergebnisse solcher Untersuchungen zeigen die große Be- deutungderGas-undStaub-KomponentediesesMediumsnichtnurfürdieAbschwächung undVerfärbungdervonintra-undextra-galaktischenQuellenemittiertenStrahlung,sondern auchfürdieBildungvonGalaxienundSternen. Natürlich konnten nicht alle neuen Entwicklungen ausführlich in dieser neuen Auflage berücksichtigt werden, weil dies den Seitenumfang gesprengt hätte. Einige, dem Autor besonders interessant erscheinenden Ergebnisse werden jedoch hier vorgestellt und zur weiterenInformationwurdedasLiteraturverzeichnisumneuerschieneneBücheroderZeit- schriftenartikelerweitert. Viele Leser haben durch ihre Zuschriften dazu beigetragen, dass eine Reihe von Fehlern der ersten Auflage korrigiert werden und einige Abschnitte deutlicher dargestellt werden konnten. Ihnenseiallengedankt.BesondererDankgebührtdenKollegenProf.Bleck-Neuhaus,Bre- men,undDr.Grieger,MPIfürPlasmaphysik,Garching,diemirausführlicheKorrekturlisten zugesandthaben.Herr Dr. T. Sauerland hatdenTeil überKernphysikgenaudurchgesehen, mir viele KorrekturvorschlägegemachtundneueAufgabenmit Lösungenbeigetragen.Für die Astrophysik hat Herr Kollege Prof. Mauder,Uni Tübingen, mir eine ausführliche Liste X VorwortzurzweitenAuflage vonFehlernundVorschlägefürwichtigeneueGebietederAstrophysikgeschickt,diemitge- holfenhaben,diesenTeildesBucheswesentlichzuverbessern.AllendiesenKollegensage ichmeinenherzlichenDank. Die drucktechnische Erfassung, das Layout und die Wiedergabe der Abbildungen wurden von der Firma LE-TeX, Leipzig, in kompetenter Weise durchgeführt. Besonders danke ich HerrnMatrisch,derdieHerstellungdieserAuflagebetreuthat. Zum Schluss möchte ich meiner lieben Frau Harriet danken, dass sie mir durch ihre Hilfe undUnterstützungdieZeitzumSchreibendieserNeuauflageverschaffthat. DerAutorhofft,dassdurchdiesesLehrbuchauchStudenten,dienichtKern-,Teilchen-oder AstrophysikalsPrüfungsfächergewählthaben,dazumotiviertwerden,sich mit diesenfas- zinierendenGebietennäherzubefassen.ErwünschtsichkritischeLeser,dieauchweiterhin durch ihre Zuschriften mit Hinweisen auf Fehler oder mit Verbesserungsvorschlägen zur OptimierungdiesesBuchesbeitragen. Kaiserslautern, imJuli2004 WolfgangDemtröder
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