Vorlesung vom 15.10 - Institute for Nuclear Physics

LHC und der Nachweis des Higgs-Teilchen
On July 4, 2012, CERN announced the long awaited discovery of a new fundamental particle
with properties similar to those expected for the missing link of the Standard Model (SM) of
particle physics, the Higgs boson. The discovery was made independently by two experimental
collaborations – ATLAS and CMS at the Large Hadron Collider – both working with huge all
purpose multichannel detectors. With significance at the level of five standard deviations, the
new particle was mainly observed decaying into two channels: two photons and four leptons.

LHC und der Nachweis des Higgs-Teilchen
ATLAS Detektor am LHC

Nachweis des Higgs-Boson

Standardmodell der Elementarteilchenphysik

Physik Nobelpreis für F. Englert und P. W. Higgs
François Englert and Peter W. Higgs are jointly awarded the
Nobel Prize in Physics 2013 for the theory of how particles
acquire mass.
In 1964, they proposed the theory independently of each other
(Englert together with his now deceased colleague Robert Brout).
In 2012, their ideas were confirmed by the discovery of a so
called Higgs particle at the CERN laboratory.

Kern- und Teilchenphysik
53030 Kern- und Teilchenphysik
Vorlesung
Di. 12.00-12.45 im Hörsaal III
Do. 10.00-11.30 im Hörsaal II
Übungen
Di. 12.45-13.30 im Hörsaal III, Leiter: Michael Seidlitz
Klausur
26.2.2014 Mi. 9:00-12:00 Hörsaal I
Web-page
http://www.ikp.uni-koeln.de/groups/reiter/lehre.html
Dozent
Peter Reiter, Institut für Kernphysik, Raum 306, Tel. 0221 4703624
Mail: preiter@ikp.uni-koeln.de

Literaturliste
Kern- und Teilchenphysik
• Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Kernphysik (Springer)
• Machner: Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik (Wiley-VCH)
• Martin: Nuclear and Particle Physics (Wiley)

Literatur
Nur Kernphysik
Kernphysik und wenig Teilchenphysik
• Bethge: Kernphysik (Springer 1996)
• Demtröder: Experimentalphysik 4 (Springer 2004)
• Mayer-Kuckuk: Kernphysik (Teubner 1984)

Kern- und Teilchenphysik
Heute Einführung:
• Gegenstand der Kernphysik
• Begriffe und Nomenklatur
• Historisches (Ergänzung auf Web-page)

Warum Kern- und Teilchenphysik studieren?
Kernphysikalische Prozesse spielen eine fundamentale
Rolle für das Verständnis unserer physikalischen Welt:
• Ursprung des Universums
• Entstehung der chemischen Elemente
• Energie der Sterne
• Bestandteile der Materie
Kerne

Warum Kern- und Teilchenphysik studieren?
Kernphysik ist nützlich!
- Bildgebende Verfahren in der Medizin
MRI oder NMR PET Positron Emission Tomography
- Medizinische Strahlentherapie
Protonen- und Schwerionentherapie

Größenskalen
Grenzen des bekannten Universums: 10 +26 m
Galaxien: 10 +21 m
Makroskopische Gebilde: 10 -3 m - 10 +3 m
Kristalle, Moleküle: 10 -9 m - 10 -8 m
Atome : 10 -10 m
(Angström)
Kerne: 3 -10 fm = 3 -10 x 10 -15 m,
(1 Femtometer = Fermi)
Nukleon: 10 -15 m
Elementarteilchen: < 10 -18 - 10 -21 m.

Wechselwirkungen und Kräfte
• Alle Wechselwirkungen WW zwischen Teilchen können
durch vier fundamentale Kräfte beschrieben werden:
Gravitation
Elektromagnetische Wechselwirkung
Schwache Wechselwirkung
Starke Wechselwirkung
• Auf kurzen Distanzen (~fm) ist die starke- und schwache
Wechselwirkung innerhalb der Kerne stärker als die EM-WW.

Stärke der fundamentalen Kräfte

Nuklidkarte

Nomenklatur
• Ein Nuklid ist ein Atomkern aus Z Protonen und N Neutronen.
• Massenzahl A, die Summe von Protonenzahl und Neutronenzahl, Summe
aller Nukleonen in diesem Atomkern: A = N + Z
• Die Ordnungszahl Z ist für das Element spezifisch.
Mit q wird die Ionenladung bei atomaren Prozesse angegeben.
• Nuklide mit gleichem Z, N oder A haben folgende Namen:
Isotope: Nuklide mit gleichem Z
Isotone: Nuklide mit gleichem N
Isobare: Nuklide mit gleichem A
• Vollständige Schreibweise:
Nuklidkarte
ist redundant
wg. Z~X, A=N+Z

Einheiten in der Kern- und Teilchenphysik
• Längen
Kerne haben Radien von einigen Femtometer fm
(1fm = 10 -15 m), 1fm wird auch als Fermi bezeichnet
• Energie
Energien werden in Elektronenvolt eV angegeben.
Energie die eine Teilchen mit der Elementarladung 1e (= 1,602 ·10 -19 C)
beim Durchlaufen einer Potentialdifferenz von 1V gewinnt.
1 eV = 1, 602 · 10 -19 J.
Typische Werte: Atomphysik: eV
Kernphysik: keV, MeV
Hochenergiephysik: GeV, TeV .
• Massen
atomare Masseneinheiten (1u = 1/12m[ 12 C] = 1, 66 · 10 -27 kg)
oder gemäß Massen-Energie-Äquivalenz E = mc 2 in MeV/c 2
eine atomare Masseneinheit 1 u = 931,5 MeV/c 2

Einheiten und Konstanten
Quantenmechanische Systeme:
Heisenbergsche Unschärferelation
verknüpft Zeit- und Energieskalen, Planck-Konstant (Wirkungsquantum):
Lichtgeschwindigkeit:
Feinstrukturkonstante
Masse-Energie-Äquivalenz
A. Einstein
2
E = mc
• Drückt die Ladung in einer einfachen Art aus
• Maß für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung

Natürliche Einheiten
Natürliche Einheiten
Einheitensystem bei dem von den Maßen (Meter, Kilogramm und Sekunde)
auf die Einheiten (¯h, c, MeV ) oder (¯h, c, fm) übergegangen wird
Die Relation zwischen beiden Systemen ist gegeben durch:

Historisches, wichtige Daten aus der Kernphysik
• Entdeckung der Röntgenstrahlung (1895 Röntgen)
• Entdeckung der Radioaktivität (1896 Becquerel)
• Entdeckung des Elektrons (1897 Thomson)

Elektron
J.J. Thomson:
Experimente mit Kathodenstrahlen
Eigenschaften des Elektrons
• Ladung: e=1.602 • 10-19 C
Millikan (1910)
• Ruhemasse: m e =0.510999 MeV/c²
• Spin: s=½ ħ
• Magnetisches Moment:
µ=e ħ/2m -11 e =5.788 • 10
MeV/T
Elektron ist ein Elementarteilchen
R < 10-18 m

Historisches, wichtige Daten aus der Kernphysik
• Gesetze des radioaktiven Zerfalls (1897 Rutherford, Soddy)
• Identifizierung der α-, β- und γ−Strahlung (1897 Rutherford)
• α-Streuexperimente, Existenz des Atomkerns
(1911 Rutherford, Geiger, Mardsen)
• Systematik der Röntgenspektren,
=> Ordnungszahl, Basis für Periodensystem (1913 Mosley)

Protonenzahl: Ladung des Atomkerns
• Ladungszahl Z gibt die Zahl
der Protonen im Kern an,
Ladung Q=Ze
• Bestimmung von Z: Messung
der Röntgenübergangsenergie
aus der L- in die K-Schale
Moseleysches Gesetz
• E(K α )=1/2 α 2 m e c 2 (Z-1) 2

Historisches, wichtige Daten
• Bohrsches Atommodell
Erklärung des Wasserstoffspektrums (1913 Bohr)
• Erste Kernreaktionen / Transmutation (1919 Rutherford)
• Entwicklung der Quantenmechanik
(ab 1925 u.a. De Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Born)
• Neutrinohypothese (1930 Pauli)
• Erste Teilchenbeschleuniger
(1930-32 Van de Graaf, Cockroft, Walton, Lawrence)
• Entdeckung des Neutrons (1932 Chadwick)

Entdeckung des Neutrons 1932
• Das Neutron als Teil des
Atomkerns wurde 1932 von
Chadwick als Produkt der
Kernreaktion:
4 He + 9 Be -> 12 C + n + Q
• Die ungeladenen Neutronen
wurden an Wasserstoffkernen
gestreut. Bei
zentralen Stößen wird die
gesamte Energie auf das
Proton übertragen.

Historisches, …
• Entdeckung des Positrons (1932 Anderson)
• Theorie des Betazerfalls
(1934 Fermi)
• Beschreibung der Kernkräfte durch Mesonenaustausch
(1935 Yukawa)
• Entdeckung des Myons
(1937 Anderson, Neddermeyer)
• Theorie der thermonuklearen Reaktionen in Sternen
(1938 Bethe)
• Entdeckung der Kernspaltung (1938 Hahn, Straßmann)
• Theorie der Spaltung, Tröpfchenmodell (1939 Meitner, Frisch, Bohr, Wheeler)
• Produktion der ersten Transurane (1940 Seaborg)
• Erste kontrollierte Kettenreaktion (1942 Fermi)
• Entwicklung der Atombombe (1945 Oppenheimer(Manhatten Project))

Historisches, wichtige Daten
• Entdeckung des Pion oder Pi-Mesons (1947 Powell)
• Schalenmodell der Kernstruktur
(1949 Goeppert-Mayer, Jensen, Haxel, Suess)
• Seltsamkeits-Hypothese (1953 Gell-Mann, Nishjima)
• Erster Nachweis von Teilchen mit Seltsamkeit
(1953 Brookhaven National Laboratory)
• Kollektives Modell für Kerne (1953 A. Bohr, Mottelson, Rainwater)
• Entdeckung des Antiprotons (1955 Chaimberlain, Segre)

Historisches, wichtige Daten
• Experimenteller Nachweis des Neutrinos (1956 Reines, Cowan)
• Nachweis der Paritätsverletzung im Beta-Zerfall (1956 Lee, Yang, Wu)
• Quarkmodell der Hadronen (1964 Gell-Mann, Zweig)
• Elektroschwache Vereinigung (1967 Weinberg, Salam)
• Entwicklung der Quantenchromodynamik (QCD)
• Entwicklung der Quantenchromodynamik (QCD)
(1972 Gell-Mann)

Historisches, wichtige Daten
• Nachweis des J/Y Mesons (1974 Richter, Ting)
• Entdeckung des Tau-Leptons (1975 Perl)
• Entdeckung des Bottom Quarks (1977 Ledermann)
• Entdeckung der W und Z Bosonen (1983 Rubbia)
• Messung solarer Neutrinos (1960er - 1994, Davis)
• Messung von Neutrinos aus Supernova (1987 Koshiba)
• Entdeckung des Top Quarks (1995 Fermi Laboratory)
• Nachweis von Neutrino-Oszillationen
(1998 Super-Kamikoande, 2001 SNO, 2003 KAMLAND)