Experimentalphysik 4: Kern-, Teilchen- und Astrophysik

508 Pages·2017·33.7 MB·German

by  Wolfgang Demtröder (auth.)

Wolfgang Demtröder
Experimental-
physik 4
Kern-, Teilchen- und Astrophysik
5. Aufl age
Springer-Lehrbuch
Wolfgang Demtröder
Experimental-
physik 4
Kern-, Teilchen- und
Astrophysik
5. Auflage
WolfgangDemtröder
Kaiserslautern,Deutschland
ISSN0937-7433
Springer-Lehrbuch
ISBN978-3-662-52883-9 ISBN978-3-662-52884-6(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-52884-6
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Vorwort zur fünften Auflage
Indieser5.AuflagesindeinigeAbsätzeneugeschriebenworden,umdasVerständniszuverbessern.
Da dieFortschritteder astrophysikalischenForschungbeeindruckendsind,wurden einigeneueAb-
schnitteüberQuasare,GravitationslinsenundHintergrundstrahlungeingefügt.Außerdemsindmehr
Abbildungen eingefügt, um den Text besser zu illustrieren. Durch neue Drucktechniken ist es nun
möglich,dieFarbtafeln, diein der 4.Auflage noch als Anhangzusammengefasstworden waren, in
den Text zu integrieren. Auf Zuschriften von Lesern hin wurdeeine Reihevon Rechtschreibfehlern
korrigiert. Die Literatur wurdeaufden neuestenStand gebrachtundam Endejedes Kapitels aufge-
führt.
DerAutorhofft,dassdieseAuflageweiterhinkritischeundaufmerksameLeserfindet,diedurchVer-
besserungsvorschläge zur Optimierung dieses Lehrbuches beitragen. Ihre Zuschriften werden nach
Möglichkeitschnellbeantwortet.
Kaiserslautern,
imMai2016 WolfgangDemtröder
V
Vorwort zur vierten Auflage
SeitdemErscheinender3.Auflage2009sindsowohlinderKern-undHochenergiephysikalsauch
besondersinderAstrophysikwichtigeneueEntdeckungengemachtworden,welchebestehendeTheo-
rien bestätigen aber auch zu revidierten Vorstellungen über grundlegende Modelle und Theorien
führen können. Beispiele in der Teilchenphysik sind die Entdeckung des Higgs-Bosons am CERN
und die Möglichkeiten, mit neuen Beschleunigern neue Teilchen, z.B. supersymmetrischeTeilchen
oder WIMPS (weakly interacting massive particles) zu entdecken, in der Kernphysik die Untersu-
chungvoninstabilenKernenmitgroßemNeutronenüberschussoderdiekünstlicheErzeugungneuer
TransuraneamDarmstädterBeschleunigerGSI.
InderAstrophysikhatdiegenauereVermessunggeringerAnisotropienderHintergrundstrahlungde-
taillierteInformationenüberdasfrüheStadiumunseresUniversumsgebracht.DieDiskussionüberdie
dunkleMaterieunddiedunkleEnergiehatMöglichkeitenaufgezeigt,wiediesebisherunverstandenen
Größenvielleichtexperimentellgeprüftwerdenkönnen.DiegenaueVermessungvonSupernovaein
fernenGalaxienhatgezeigt,dassdiesealsEntfernungsstandardsbenutztwerdenkönnen,diezueiner
verbessertenEntfernungsskalaimUniversumgeführthabenundeswurdegezeigt,dasssichdasUni-
versumzurzeit beschleunigtausdehnt.Die gelungeneLandungdes Roboters „Curiosity“wird wohl
die bisher genaueste Untersuchung der Marsoberfläche und der chemischen Zusammensetzung des
MarsgesteinsundderMarsatmosphärebringen.DieEntdeckungvieler„extrasolarerPlaneten“hatdie
FragenachderMöglichkeitvonintelligentemLebenaußerhalbunsererErdeneuentfacht.
Indieserneuen4.AuflagesindFehlerundUngenauigkeitender3.Auflagekorrigiertworden,einige
Abschnitte neu formuliert worden, um eine größere Klarheit der Darstellung zu gewinnen. Außer-
demwerden dieobenerwähnten neueren EntwicklungenausführlicherdiskutiertundAusblickeauf
möglicheStoßrichtungendergegenwärtigenForschunggegeben.
Der Autordanktallen Lesern, dieaufFehler hingewiesenundKorrekturvorschlägegemachthaben.
InsbesonderemöchteichHerrnPeterStaub,TUWien,danken,dersichsehrintensivumKorrekturen
bemühthat.
IchdankeFrauDr.SpillnerfürdieOrganisationbeidergraphischenGestaltungundbeimDruckund
FrauKrokebeiderFirmale-texpublishingservicesfürLayoutundDruck.
Kaiserslautern,
imMai2013 WolfgangDemtröder
VII
Vorwort zur dritten Auflage
DieAstrophysik,welche denAbschlussdes vierbändigenLehrbuches überExperimentalphysikbil-
det, braucht fast alle Gebiete der Physik zur Erklärung der beobachteten Phänomene. Sowohl die
Mechanik, als auch Thermodynamik, Hydrodynamik, Elektrodynamik, Atom- und Molekülphysik,
Plasmaphysik, Kernphysik und Hochenergiephysik werden benötigt, um Sternmodelle und Vorstel-
lungen über den Kosmos zu entwickeln. Deshalb steht die Astronomie und Astrophysik am Ende
dieserLehrbuchreihe,nachdemderLeseraller4BändemitdenobengenanntenGebietenvertrautist.
SeitdemErscheinender2.AuflagevonBand4,wurdensowohlinderKern-undHochenergiephysik,
alsauchinsbesondereinderAstrophysikvieleneueexperimentelleTechnikeneingeführt,diezuneu-
en,aufregendenErgebnissengeführthaben.BeispielefürdieHochenergiephysiksindneueDetektoren
fürdenNachweis derErzeugungelementarerTeilchen beihochenergetischenZusammenstößenvon
ElektronenoderHadronen,welchegleichzeitigdieArtdererzeugtenTeilchen,sowiederenEnergie,
ImpulsundStreuwinkelmessenkönnen.EinbesonderesHighlightistdieFertigstellungdesweltweit
größtenTeilchenbeschleunigersLHCamCERNimSommer2009,sowieneuetheoretischeAnsätze
zurErweiterungdesStandardmodellsderTeilchenphysik.
In der Astrophysik sind eine Reihe von erdgebundenen Großteleskopen gebaut worden, welche die
Techniken der adaptiven und aktiven Optik in verbesserter Form benutzen und sogarmehrere Tele-
skopezueinemSterninterferometerimoptischenBereichvereinigenkonnten.Dieshatbewirkt,dass
neben der wesentlich größeren Lichtstärke auch die Winkelauflösung erheblich verbessert werden
konnte,sodassengbenachbarteSterneimZentrumunsererMilchstraße,wodieSterndichtesehrgroß
ist,nochaufgelöstwerdenkonnten.VieleneuedieErdeumkreisendenSatelliten,wiez.B.dasHubble
SpaceTelescopeoderderSatellitKOBEzurUntersuchungderMikrowellen-Hintergrundstrahlungso-
wie zahlreiche Raumsonden haben unsere Kenntnis über unser Planetensystem und vor allem über
unserUniversumundseinenZustandvorvielenMilliardenJahrenwesentlicherweitertundneueIn-
formationenüberdiezeitlicheEntwicklungunddieDynamikunseresUniversumsgeliefert.
Die Auswertung der Daten des HYPARCOS Satelliten, welcher die Entfernung vieler Sterne mit
bisherunerreichterGenauigkeitvermessenhat,konntemancheDiskrepanzenüberdasAltervonKu-
gelsternhaufen,dieausfehlerhaftenEntfernungsbestimmungenentstandenwaren,beseitigen.
Diese neuen Erkenntnisse haben auch neue Fragen aufgeworfen, die bisher noch nicht beantwortet
werdenkonnten.BeispielesinddiewahrscheinlicheExistenzvondunklerMaterieunddunklerEner-
gie,überderenphysikalischeErklärungnochvielspekuliertwird.
IndervorliegendendrittenAuflage,werdeneinigedieserneuenEntwicklungenvorgestellt,umdem
LesereineVorstellungvondenheutediskutiertenProblemenzugeben.
DieimInhaltsverzeichnismit*gekennzeichnetenAbschnittekönnenfürLeser,diesichnichtsoein-
gehendmitdemStoffbeschäftigenwollen,überschlagenwerden.
Der Autor dankt allen Lesern, Studenten und Kollegen, die Korrekturen und Verbesserungen der
Darstellung angeregt haben. Insbesonderedanke ich Herrn Peter Staub von der TU Wien, für viele
detaillierteVorschlägebeiderNeuauflage.
FrauSteffiHohenseevonderFirmale-texpublishingservicesGmbHLeipzig,dieDruckundLayout
überwachthat,gebührtmeinDankundebensoHerrnDr.ThorstenSchneidervomSpringer-Verlagfür
seineständigeUnterstützungwährendderArbeitandiesemLehrbuch.
IX
X VorwortzurdrittenAuflage
Ich hoffe, dass diese Neuauflage das Interesse vieler Leser findetund die Begeisterung für das fas-
zinierende Gebiet der Astronomie weckt. Der Autor ist dankbar für jeden Hinweis auf Fehler oder
möglicheVerbesserungen.AuchFragensindwillkommen.Jedediesbezüglichee-mailwirdsoschnell
wiemöglichbeantwortet.
Kaiserslautern,
imJuni2009 WolfgangDemtröder
Vorwort zur zweiten Auflage
IndensiebenJahrenseitdemErscheinendererstenAuflagehabensichsowohlaufdemGebietder
Kern-undTeilchen-Physik,alsauchvoralleminderAstrophysikvieleneueErkenntnisseergeben,die
aufderEntwicklungneuerexperimentellerTechniken,derAuswertungexperimentellerDatenundauf
verfeinertentheoretischenModellenberuhen.Sowurdenz.B.mitdemgroßenNeutrino-DetektorSu-
perkamiokandeinJapandieUmwandlungvonMyon-NeutrinosinElektron-Neutrinosnachgewiesen.
Dastop-quarkwurdeentdecktundschlossdamiteineLückeindervorhergesagtenMitgliederzahlder
Quarkfamilien.Diebeidertief-inelastischenStreuungvonhochenergetischenElektronenundPositro-
nenentstehendenTeilchen(sowohlHadronenalsauchLeptonen)wurdeninzwischensehrdetailliert
untersucht.DieErgebnissescheinenbisheralleinEinklangmitdemStandardmodellderTeilchenphy-
sikzusein.
DieVerzahnungvonTeilchenphysikundAstrophysikbzw.Kosmologiehatsichalssehrfruchtbarer-
wiesenfürdieEntwicklungvongenauerenModellenüberdieEntstehungdesUniversums.Dievom
Weltraum-Teleskop Hubble aufgenommenen Bilder haben uns ganz neue Einblicke in die Frühzeit
unseres Universum beschert, und die Anwendung der adaptiven und aktiven Optik, sowie die Ent-
wicklungder Stern-Interferometrie im optischenund nahenInfrarot-Bereich erlaubten dieMessung
vonPositionundBewegungeinzelnerSterneinderNähedesgalaktischenZentrums.DieErgebnisse
zeigen,dassimZentrumunsererGalaxieeinriesigesSchwarzesLochvorhandenist.
DieAuswertungderParallaxen-MessungendesSatellitenHIPPARCOSkonntedieEntfernungsskala
innerhalbunsererMilchstrassekorrigierenunddamitandereMethodenzurEntfernungsmessungneu
kalibrieren.DeminterstellarenundintergalaktischenMediumwurdeneueAufmerksamkeitgeschenkt
undeineReihevonBeobachtungstechnikenaufseineUntersuchungangewandt.DieErgebnissesol-
cherUntersuchungenzeigendiegroßeBedeutungderGas-undStaub-KomponentediesesMediums
nichtnurfürdieAbschwächungundVerfärbungdervonintra-undextra-galaktischenQuellenemit-
tiertenStrahlung,sondernauchfürdieBildungvonGalaxienundSternen.
Natürlich konnten nicht alle neuen Entwicklungen ausführlich in dieser neuen Auflage berücksich-
tigt werden, weil dies den Seitenumfang gesprengt hätte. Einige, dem Autor besonders interessant
erscheinendenErgebnissewerdenjedochhiervorgestelltundzurweiterenInformationwurdedasLi-
teraturverzeichnisumneuerschieneneBücheroderZeitschriftenartikelerweitert.
Viele Leser haben durch ihre Zuschriften dazu beigetragen, dass eine Reihe von Fehlern der ersten
AuflagekorrigiertwerdenundeinigeAbschnittedeutlicherdargestelltwerdenkonnten.
Ihnenseiallengedankt.BesondererDankgebührtdenKollegenProf.Bleck-Neuhaus,Bremen,und
Dr.Grieger,MPIfürPlasmaphysik,Garching,diemirausführlicheKorrekturlistenzugesandthaben.
HerrDr.T.SauerlandhatdenTeilüberKernphysikgenaudurchgesehen,mirvieleKorrekturvorschlä-
ge gemacht und neue Aufgaben mit Lösungen beigetragen. Für die Astrophysik hat Herr Kollege
Prof. Mauder, Uni Tübingen, mir eine ausführliche Liste von Fehlern und Vorschläge für wichtige
neueGebietederAstrophysikgeschickt,diemitgeholfenhaben,diesenTeildesBucheswesentlichzu
verbessern.AllendiesenKollegensageichmeinenherzlichenDank.
Die drucktechnische Erfassung, das Layout und die Wiedergabe der Abbildungen wurden von der
Firma LE-TeX, Leipzig, in kompetenter Weise durchgeführt. Besonders danke ich Herrn Matrisch,
derdieHerstellungdieserAuflagebetreuthat.
ZumSchlussmöchteichmeinerliebenFrauHarrietdanken,dasssiemirdurchihreHilfeundUnter-
stützungdieZeitzumSchreibendieserNeuauflageverschaffthat.
XI
XII VorwortzurzweitenAuflage
DerAutorhofft,dassdurchdiesesLehrbuchauchStudenten,dienichtKern-,Teilchen-oderAstrophy-
sikalsPrüfungsfächergewählthaben,dazumotiviertwerden,sichmitdiesenfaszinierendenGebieten
näher zu befassen. Er wünscht sich kritische Leser, die auch weiterhin durch ihre Zuschriften mit
HinweisenaufFehlerodermitVerbesserungsvorschlägenzurOptimierungdiesesBuchesbeitragen.
Kaiserslautern,
imJuli2004 WolfgangDemtröder