Experimentalphysik 4: Kern-, Teilchen- und Astrophysik

549 Pages·2014·18.82 MB·German

by  Wolfgang Demtröder (auth.)

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
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Lektorat:VeraSpillner,StefanieAdam
Einbandentwurf:deblik,Berlin
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier
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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