Einführung in die Kern-, Teilchen- und Astrophysik
Introduction to Nuclear, Particle, and Astrophysics

Inhalt des Moduls ist die konzeptionelle Vermittlung der Kern- und Teilchenphysik. Dabei werden den Studierenden die physikalischen Grundkonzepte in Theorie und Experiment vermittelt, wobei der Schwerpunkt auf den experimentellen Ergebnissen und Methoden ruht. 

Experimentelle Grundlagen

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

Theoretische Konzepte

• Symmetrien
• Streuung und Wirkungsquerschnitte
• Klein-Gordon- und Dirac-Gleichung
• Feynman Diagramme

Elektromagnetische Wechselwirkungen

• Elektronstreuung und Formfaktoren
• Quasielastische, inelastische und tiefinelastische Streuung und Strukturfunktionen
• Das Partonmodell

Die starke Wechselwirkung

• Quarks: Farbe und Flavour
• Aufbau und Eigenschaften der Hadronen
• Quarks und Gluonen in Hochenergiereaktionen
• Experimentelle Tests der QCD

Die Schwache Wechselwirkung

• Schwache Zerfälle und Paritätsverletzung
• Experimenteller Nachweis von W- und Z-Bosonen
• Standardmodell und Higgs-Mechanismus
• Yukawa-Kopplungen und die CKM-Matrix

Kernphysik

• Radioaktivität
• Kernphysikalische Modelle
• Kernreaktionen
• Physik dichter Kernmaterie
• Anwendungen der Kernphysik

Astrophysik

• Kernfusion und Sternentwicklung
• Elementenstehung und Grundlagen der nuklearen Astrophysik
• Grundlagen der Kosmologie

Der/die Studierende wird einen Gesamtüberblick über das Fachgebiet erhalten und somit allen wissenschaftlichen Kolloquien auf diesem Gebiet folgen können. Nach erfolgreichem Abschluss des Moduls besitzt der/die Studierende die Voraussetzungen um an weiterführenden oder spezialisierenden Modulveranstaltungen diese Fachgebiets teilzunehmen.

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul ist der/die Studierende in der Lage:

1. die grundlegende Funktionsweise von Beschleunigeranlagen sowie die in Experimenten zum Einsatz kommenden Detektorsysteme zu verstehen.
2. mit den in der Kern- und Teilchenphysik allgemein zu Grunde liegenden theoretischen Konzepten umzugehen.
3. die drei für die Teilchenphysik wichtigen, fundamentalen Wechselwirkungen zu kennen, und zwar in Bezug auf die phänomenologischen Auswirkungen, sowie die zugehörigen Standardexperimente und die dahinterstehenden theoretischen Modelle wiederzugeben.
4. die wichtigsten Phänomene und Anwendungen der Kernphysik zu kennen sowie Modellvorstellungen der Kernphysik wiederzugeben.
5. die Bedeutung der Kern- und Teilchenphysik für die Astrophysik zu verstehen.

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

Powerpoint

Offline Videostreaming der Vorlesung (MP4)

Begleitende Informationen im Internet

• Povh, Zetsche, Scholz, Rith: Teilchen und Kerne: Eine Einführung in die physikalischen Konzepte, Springer Verlag
• Mayer-Kuckuk: Kernphysik: Eine Einführung, Teubner
• D. Perkins: Hochenergiephysik
• F. Halzen und A.D. Martin: Quarks and Leptons

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:

• Altersbestimmung mit der 14-C-Methode
• Auswahlregeln bei elektrodynamischen Übergängen in Kernen
• Kernfusion in der Sonne
• Vierervektoren und lorentz-invariante Größen
• Tiefinelastische Neutrino-Streuung
• Anzahl und Farben in der QCD
• Dunkle Materie und die Rotationskurven von Galaxien

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.

Auf die Note einer bestandenen Modulprüfung in der Prüfungsperiode direkt im Anschluss an die Vorlesung (nicht auf die Wiederholungsprüfung) wird ein Bonus (eine Zwischennotenstufe "0,3" besser) gewährt (4,3 wird nicht auf 4,0 aufgewertet), wenn die/der Studierende die Mid-Term-Leistung bestanden hat, diese besteht aus

• 60% der Punkte aus den Übungsaufgaben
• einmal Vorrechnen in den Übungsgruppen