Von Quarks zu Hadronen: nieder- und mittelenergetischer Bereich
From Quarks to Hadrons: Low and Intermediate Energy Regime

Das Modul spannt den Bogen von den ersten noch sehr einfach aufgebauten, aber wegweisenden Experimenten zur Erforschung der Kernkräfte zu den aufwändigen modernen Aufbauten, mit denen aktuell die noch unzureichend bekannten Aspekte zur starken Wechselwirkung erforscht werden. Anhand der Messungen werden einige Schlüsselpublikationen genauer diskutiert, mit Fokus auf Prozesse bei mittleren Teilchenenergien, die von den fundamentalen Symmetrien sowie einem reichen Resonanzspektrum geprägt ist. Von besonderem Interesse ist hier die chirale Symmterie, welche eine systematische Störungsrechnung erlaubt mit großer Vorhersagekraft für laufende experimentelle Untersuchungen. Dies erlaubt eine indirekte und zur tiefunelastischen Streuung komplementäre Überprüfung der Quarkstruktur der stark wechselwirkenden Teilchen.

Die Vorlesung strukturiert sich thematisch in zwei Teile. Zunächst werden die Anfänge der Untersuchungen von stark wechselwirkenden Teilchen von den 1940er bis in die 1960er Jahre nachvollzogen, bis zur Bestätigung und den Limitationen der Yukawa-Theorie, also Mesonaustausch als Kernkraft. Im zweiten Teil wird die Weiterentwicklung dieser Niederenergie-Aspekte ab Mitte der 1980er Jahre, also nach den Erkenntnissen der tiefunelastischen Streuung zur Quarkstrutur, zur chiralen Störungsrechnung beleuchtet, sowie deren experimentelle Überprüfung.

Nach erfolgreicher Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

• Experimente und die zugrundeliegenden Prozesse mit stark wechselwirkenden Teilchen so zu verstehen, dass eine eigenverantwortliche Mitarbeit an solchen Experimenten möglich und gut vorbereitet ist
• die elementaren Wechselwirkungen von Protonen, Neutronen, Pionen und weiteren stark wechselwirkenden Teilchen detailliert wiedergeben
• Wirkungsquerschnitts-Abschätzungen für Experiment-Designs und in der Datenanalyse durchzuführen

Die vorausgegange erfolgreiche Teilnahme an einem Modul zur Teilchenphysik bzw. Quantenmechanik (z.B. PH0016) ist sinnvoll, aber nicht verpflichtend.

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und einer Übung.

In der Vorlesung werden die Inhalte durch Präsentationen sowie durch Anschrift auf einem Smartboard vermittelt. Durch Rückfragen werden die Studierenden zum Mitdenken motiviert, und wissenschaftliches Denken eingeübt.

In den Übungsteilen wird auf exemplarisches computergestütztes Rechnen mit dem Programmpaket "root" zurückgegriffen, das je nach Interesse vorgeführt wird oder auf eigenen Laptops der Studierenden mit erlernt werden kann. Wichtige Erkenntnisse werden anhand der detaillierten Besprechung von Originalliteratur nachvollzogen.

Präsentation wird in PDF zur Verfügung gestellt, Smartboard

• A.W. Thomas & W. Weise: The Structure of the Nucleon, esp. chapter 6 and 7, Wiley-VCH, (2001)
• B. Povh, K. Rith, C. Scholz & F. Zetsche: Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts, Springer, (2006)
• F. Halzen, A.D. Martin: Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics, Wiley, (1984)

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 25 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Wie gelang experimentell der Nachweis der ersten Vektor-Mesonresonanz?
• Welche Eigenschaften dominieren die Streuquerschnitte von Nukleon-Nukleon bzw. Meson-Nukleon Streuung bei niedrigen Energien?
• Auf welche Weise zeigt sich in den quasi-statischen Eigenschaften der Hadronen bereits die Quark-Gluon Unterstruktur?
• Wie berechnet bzw. bestimmt man experimentell Pion-Pion Streuung bei niedrigen Energien, was sind die grundlegenden Symmetrieüberlegungen dazu?

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.