Kern-, Teilchen- und Astrophysik 1
Nuclear, Particle, and Astrophysics 1

Experimentelle Grundlagen

• Prinzipien der Teilchenbeschleuniger
• Nachweismethoden in der Kern- und Teilchenphysik

Theoretische Konzepte

• Symmetrien
• Streuung und Wirkungsquerschnitte
• Klein-Gordon- und Dirac-Gleichung
• Grundlagen der Quantenelektrodynamik

Elektromagnetische Wechselwirkungen

• Elektronstreuung und Formfaktoren
• Tiefinelastische Streuung und Strukturfunktionen
• Das Partonmodell

Die starke Wechselwirkung

• Grundzüge der Gruppentheorie
• Grundlagen der Quantenchromodynamik
• Aufbau und Eigenschaften der Hadronen
• Quarks und Gluonen in Hochenergiereaktionen
• Experimentelle Tests der QCD
• Grundzüge effektiver Feldtheorien

Die Schwache Wechselwirkung

• Schwache Zerfälle und Paritätsverletzung
• V-A Theorie
• Experimenteller Nachweis von W- und Z-Bosonen
• Neutrinostreuung
• Standardmodell und Higgs-Mechanismus
• Ideen für Physik jenseits des Standardmodells

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul verfügen die Studierenden über strukturiertes Wissen über die Grundlagen der Kern-, Teilchen- und Astrophysik und sind in der Lage die Funktionsweise und Fragestellungen moderner Teilchenphysik-Experimente zu verstehen. Sie verfügen über grundlegende Kenntnisse der elementaren Bestandteile der Materie und ihrer Wechselwirkungen, sowie zusammengesezten Systemen wie Mesonen, Baryonen und Kernen. Sie sind desweiteren in der Lage die theoretischen Grundlagen des Standardmodells der Teilchenphysik auf einfache Phänomene anzuwenden.

PH0001, PH0002, PH0003, PH0004, PH0005, PH0006, PH0007

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lehrinhalte im Vortrag präsentiert und durch anschauliche Beispiele sowie durch Diskussion mit den Studierenden vermittelt. Dabei werden die Studierenden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert. Stetige Querverweise auf die bereits früher vermittelten Grundlagen lassen die universellen Konzepte der Physik mehr und mehr erkennbar werden.

In den Übungen lernen die Studierenden in Kleingruppen nicht nur den Lösungsweg nachzuvollziehen, sondern Aufgaben auch selbstständig zu lösen. Hierzu werden Aufgabenblätter angeboten, die die Studierenden zur selbstständigen Kontrolle sowie zur Vertiefung der gelernten Methoden und Konzepte bearbeiten sollen. In den Übungen werden die unter der Woche gerechneten Aufgaben von den Studierenden und einer/m wissenschaftlichen Mitarbeiter(in) an der Tafel vorgerechnet und besprochen. Die Übung bietet auch die Gelegenheit zur Diskussion und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff und bereitet konkret auf die Prüfungen vor.

Die verschiedenen Lernformate sind eng verzahnt und befinden sich im ständigen Austausch.

Tafelanschrieb bzw. Präsentation,
Beispielvideos (z.T. zum Download),
Vorlesungsmitschrift z.T. zum Download,
Übungsaufgaben (Fallbeispiele) und Lösungen zum Download

B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche, W. Rodejohann, Teilchen und Kerne (Springer 2013)
B.R. Martin and G. Shaw, Particle Physics (Wiley 2008)
C. Berger, Elementarteilchenphysik: Von den Grundlagen zu den modernen Experimenten (Springer-Lehrbuch, 2014)

F. Halzen and A. D. Martin Quarks and Leptons: an Introductory Course in Modern Particle Physics
O. Nachtmann, Elementary Particle Physics: Concepts and Phenomena (Springer)
J.F. Donoghue, E.Golowich and B.R.Holstein, Dynamics of the Standard Model
C.Quigg, Gauge Theories of the Strong, Weak, and Electromagnetic Interactions

Es findet eine schriftliche Klausur von 90 Minuten Dauer statt. Darin wird exemplarisch das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe durch Rechenaufgaben und Verständnisfragen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Berechnen Sie die Strahlenergie des Elektronstrahls für ein Fixed-Target Experiment um damit W-Bosonen zu erzeugen.
• Nennen Sie die Eichsymmetrien des Standardmodells und die dazugehörigen Ladungen.
• Zeichnen Sie den Feynman-Graphen für den Myon-Zerfall.
• Nennen sie 4 konzeptionell unterschiedliche freie Parameter des Standardmodells.

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.