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, Uli Katz et al., Do, 14:00 - 16:00, HE; jede 2. Woche Fr, 14:00 - 16:00, HG; Vorlesungen und Übngen werden online per Zoom stattfinden. Terminänderungen in Absprache mit den Teilnehmenden sind noch möglich; Vorbesprechung: 5.11.2020, 14:00 - 15:00 Uhr, Zoom-Meeting)
  • Übungen zur Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik
    (Übung, 2 SWS, Uli Katz et al., Do, 8:00 - 10:00, SRTL (307), SR 02.729, SR 00.103; Do, 12:00 - 14:00, SR 00.103, HD; Mi, 16:00 - 18:00, SR 00.103; Die Übungen werden per Zoom stattfinden. Die Übungsräume snd lediglich für den unwahrscheinlichen Fall der Rückkehr zur Präsenzlehre reserviert. Terminänderungen in Absprache mit den Teilnehmenden sind noch möglich.)

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 (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2020w | NatFak | Physik (Bachelor of Science) | Gesamtkonto | Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Klausur zur Experimentalphysik 5 (Prüfungsnummer: 61811)

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 2020/2021, 1. Wdh.: WS 2020/2021

1. Prüfer:

Uli Katz

Termin: 23.02.2022, 14:00 Uhr, Ort: HE,HG,HH