Teilchenphysik und Kosmologie

Als einführendes Lehrbuch in die Teilchenastrophysik konzipiert, wendet sich dieses Werk an Studenten der Physik und Astronomie ab dem Vordiplom. Kurz und prägnant werden die Grundlagen der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik vorgestellt, bevor das Standardmodell der Teilchenphysik erläutert und die Zusammenhänge mit den heutigen Fragen aus Astrophysik und Kosmologie hergestellt werden. Mathematisch elementarer als die meisten Einführungen in die Teilchenphysik eignet sich dieses Buch sowohl begleitend zu einer Kursvorlesung als auch zum Selbststudium. Besonderer Wert wird auf pädagogische Aspekte gelegt: im Vordergrund stehen Anschaulichkeit, eine am tatsächlichen Denkprozess orientierte Darstellung und die Ausgewogenheit zwischen theoretischen, experimentellen und interpretatorischen Aspekten der modernen Astroteilchenphysik.

Großes und Kleines im Universum. - Die Grundlagen: Newton und Kepler. - Das Sonnensystem. - Entfernte Sterne und Galaxien. - Das expandierende Universum. - Der heiße Urknall. - Fernrohr und Mikroskop. - Das Auflösungvermögen des Mikroskops. - Über das optische Mikroskop hinaus. - Mikroskopische Vorgänge im heißen Urknall. - Die beiden Säulen: Relativität und Quantentheorie. - Relativität: Woher kommt E = mc2? . - Noch mehr Relativität: Gravitation und Geometrie. - Was unterscheidet einen fallenden Körper von einem beschleunigten? . - Metrik und Linienelement. - Krümmung. - Und es stimmt! . - Quanten, Teilchen und Felder. - Plancks Strahlungsformel. - Diskrete Zustände in Atomen. - Ein erster Versuch: Bohrs Atommodell. - Auf dem Weg zur Quantenmechanik: Wellenfunktionen, Operatoren und die Unbestimmtheitsrelation. - Der Formalismus: Zustandsvektoren, bra s und ket s. - Erwartungswerte und Ströme. - Formaler Beweis der Unbestimmtheitsrelation. - Der quantenmechanische Drehimpuls. - Ein intrinsischer Drehimpuls: der Spin. - Zusammengesetzte Wellenfunktionen. - Zwischenspiel: Das Heisenberg-Bild. - Äquidistante Zustände: Der harmonische Oszillator. - Teilchenerzeugung und -Vernichtung in relativistischen Wellengleichungen: Klein-Gordon und Dirac. - Eichinvarianz und Kopplungen. - Quantisierung des Klein-Gordon-Felds. - und des Dirac-Felds. - Noch ein Zwischenspiel: Spins und Drehungen. - Von Feldoperatoren zu Erwartungswerten. - Wechselwirkende Felder: Elektronen-Streuung als Beispiel. - Allgemeine Baupläne für Amplituden. - Eine Komplikation: Höhere Ordnungen. - Schleifendiagramme oder Wie man aus der Not eine Tugend macht. - Renormierung. - Das Standardmodell der Teilchenphysik. - Einstieg: Der Isospin als innere Quantenzahl. - Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung. - Seltsamkeit und SU(3). -Partonen in der tiefinelastischen Streuung. - Quarks und Gluonen. - Eine andere Wechselwirkung, ein anderer Prozess: der ? -Zerfall. - Rechtsherum und linksherum sind nicht dasselbe. - Genaueres über die schwache Wechselwirkung zwischen Quarks. - Eine neue Theorie: schwache und elektromagnetische Wechselwirkung unter einem Dach. - Endliche Massen: der Higgs-Mechanismus. - Die Bestätigung im Experiment. - Quarks im Standardmodell. - CP-Verletzung: drei Quark-Generationen passen ins Bild. - Eine mögliche Modifikation: Neutrino-Oszillationen. - Zum Schluss: eine Standortbestimmung und einige Spekulationen. - Kosmologie. - Das expandierende Universum: von Newton zu Einstein und Friedmann. - Dichte, Temperatur und Wellenlängen im Laufe der Entwicklung. - Chemie im Urknall: Wie sind Atome und Atomkerne entstanden? . - Das erste Rätsel: Dunkle Materie. - Exotische Kandidaten für Dunkle Materie. - Weitere Fragen: Horizonte und Flachheit. - Die mögliche Antwort: Eine kosmologische Konstante. - Inflation! . - Szenenwechsel: Kosmische Strahlung. - Fermis Beschleunigungs-Mechanismus. - Was geschieht im Sterntod? . - Einige mathematische Werkzeuge. - Der Cauchysche Integralsatz, die ? -Funktion und Fourier-Transformationen. - Gruppen. - Grundbegriffe der klassischen Elektrodynamik. - Elektrizität. - Magnetismus. - Magnetische Induktion. - Die Konsequenzen der Verschiebung: elektromagnetische Wellen. - Thermodynamik und Statistische Mechanik. - Das ideale Gas. - Kinetische Theorie der Gase. - Erster Hauptsatz und statistische Mechanik. - Quantenstatistik. - Zum Abschluss: Thermischer Mittelwert von bosonischen Feldern. - Wahrscheinlichkeiten und Verteilungen. - Binomial-Verteilung. - Poisson-Verteilung. - Gauß-Verteilung. - Negative Binomial- und Exponential-Verteilung. - Zerfallsraten und Wirkungsquerschnitte.