Kern-, Teilchen- und Astrophysik für Lehramt
Nuclear, Particle, and Astrophysics for Students of Education

Inhalt des Moduls ist die konzeptionelle Vermittlung der Kern- und Teilchenphysik. Ausgehend von den experimentellen Methoden und Ergebnissen werden den Studierenden die physikalischen Grundkonzepte vermittelt. Dabei wird auch auf Verbindungen zur Astrophysik sowie zu technischen Entwicklungen, die im Alltag eine Rolle spielen, eingegangen.

Einführung

• Bausteine der Materie und fundamentale Wechselwirkungen
• Geschichte des Universums
• Längen-, Energie- und Zeitskalen
• Einheiten
• Reichweite von Austauschteilchen
• Auflösungsvermögen und Wellenlänge
• Lorentzvektoren und Lorentzskalare
• Luminosität und Wirkungsquerschnitt

Teilchenbeschleuniger

• Kosmische Strahlung
• Van-de-Graaff Beschleuniger
• Zyklotron
• Synchrotron
• Strahlfokussierung
• Linearbeschleuniger

Teilchendetektoren

• Energieverlust von schweren, geladenen Teilchen (Bethe-Bloch-Formel)
• Energieverlust von Elektronen und Positronen in Materie
• Vielfachstreuung
• Ionisationskammer
• Gasverstärkung
• Geiger-Müller-Zählrohr
• Vieldrahtproportionalkammer
• Driftkammer und Zeitprojektionskammer
• Halbleiterdetektoren
• Tscherenkow-Detektoren
• Szintillatoren
• Wechselwirkung von Photonen mit Materie
• Nachweis von gamma-Strahlung
• Photoelektronenvervielfacher
• Kalorimeter

Theoretische Beschreibung von Streureaktionen

• Wiederholung: Schrödinger-Gleichung
• Klein-Gordon-Gleichung
• Dirac-Gleichung
• Feynman-Diagramme
• Geiger-Marsden-Experiment
• Rutherford-Wirkungsquerschnitt
• Formfaktor
• Mott-Wirkungsquerschnitt und Helizität

Atomkerne

• Messung von Formfaktoren
• Ladungsverteilung in Kernen
• Kernradien und Kernmassen
• Bindungsenergien von Kernen (Bethe-Weizsäcker Massenformel)

Kernbausteine (Nukleonen)

• Anomales magnetisches Dipolmoment des Nukleons
• Elastische Elektronenstreuung am Nukleon
• Elektrische und magnetische Formfaktoren des Nukleons
• Nukleonradius
• Quasielastische Elektronenstreuung am Kern
• Inelastische Elektronenstreuung am Nukleon

Quarks und Starke Wechselwirkung

• Tiefinelastische Elektronenstreuung am Nukleon
• Quark-Parton-Modell und Strukturfunktionen des Nukleons
• Quarkflavors
• Quarkproduktion in Elektron-Positron-Annihilation
• Hadronisation und Jets
• Entdeckung der charm-, bottom- und top-Quarks
• Farbladung, Gluonen und Quantenchromodynamik
• Analogie: Wassterstoffatom, Positronium und Quarkonia
• QCD-Potential und Anregungsspektren von Charmonium und Bottomonium
• Asymptotische Freiheit und Confinement

Konstituentenquarkmodell

• Mesonen aus leichten Quarks
• Isospin-Symmetrie
• Pseudoskalare Mesonen, Vektormesonen und Mesonen mit höheren Spins
• Mesonenzerfälle
• Baryonen aus leichten Quarks
• Baryonen-Multipletts
• Spin-Flavor-Wellenfunktion von Proton und Neutron
• Magnetische Momente von Baryonen
• Massen von Hadronen aus leichten Quarks
• Weitere Hadronen

Schwache Wechselwirkung: Einführung

• Materieteilchen des Standardmodells
• Arten der schwachen Wechselwirkung
• Leptonische, semileptonische und hadronische Prozesse (geladener Strom)
• Leptonzahlerhaltung und Leptonfamilienzahlerhaltung
• Universalität der schwachen Wechselwirkung
• Quarkmischung
• Schwache Wechselwirkung über neutralen Strom
• Neutrinomischung, Neutrinooszillationen und Neutrinomassen

Symmetrien

• Diskrete Symmetrien C, P und T
• Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung
• CP-Symmetrie
• CPT-Theorem

Schwache Wechselwirkung und das Standardmodell der Teilchenphysik

• Helizität, Chiralität und schwache Wechselwirkung
• V-A-Theorie
• Zerfall von Myon und Pion
• Eigenschaften der W- und Z-Bosonen
• Anzahl der leichten Neutrinofamilien und Z-Zerfall
• Elektroschwache Vereinheitlichung, Symmetriebrechung und Higgs-Mechanismus
• Entdeckung des Higgs-Bosons am LHC
• Zusammenfassung: Standardmodell der Teilchenphysik
• Physik jenseits des Standardmodells

Kernkraft

• Nukleon-Nukleon-Potential
• Erlaubte Zustände des NN-Systems
• Das Deuteron
• Natur der Kernkraft
• Meson-Austausch
• Yukawa-Potential

Kernmodelle

• Fermi-Gas-Modell
• Neutronensterne
• Schalenmodell
• Deformierte Kerne

Kernzerfälle

• Zerfallsgesetz
• beta-Zerfall, doppelter beta-Zerfall und neutrinoloser doppelter beta-Zerfall
• alpha-Zerfall
• Kernspaltung
• Nukleare Kettenreaktion und kritische Masse
• Wechselwirkung von Neutronen mit Materie
• Kernreaktor
• Natürliche Radioaktivität

Kernfusion

• Kernfusion in der Sonne
• Fusionsreaktor

Die Studierenden werden einen Gesamtüberblick über das Fachgebiet erhalten. Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierende in der Lage:

1. die grundlegende Funktionsweise von Beschleunigeranlagen sowie von Detektorsystemen zu verstehen.
2. die elementaren Bestandteile der Materie und ihre fundamentalen Wechselwirkungen zu kennen und wiederzugeben.
3. die der Kern- und Teilchenphysik allgemein zu Grunde liegenden theoretischen Konzepte und Modelle zu kennen und wiederzugeben.
4. zu verstehen, wie sich Mesonen, Baryonen und Kerne aus den elementaren Bestandteilen zusammensetzen
5. die wichtigsten Phänomene und Anwendungen der Kern- und Teilchenphysik zu kennen und wiederzugeben.
6. 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 insbesondere mit Querverweisen zwischen den behandelten Themen und bereits früher vermittelten Grundlagen die universellen Konzepte der Physik aufgezeigt. Die Studierenden werden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert.

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.

• Präsentation bzw. digitaler Presenter
• Offline Videostreaming der Vorlesung (MP4)
• Vorlesungsmaterial zum Download
• Übungsaufgaben und Lösungen zum Download
• Links zu Beispielvideos und begleitenden Informationen im Internet

Teilchenphysik

• B. Povh: Teilchen und Kerne (Springer)
• H. Frauenfelder und E. Henley: Subatomare Physik (Oldenbourg)
• D. Perkins: Introduction to High Energy Physics (Cambridge)
• B.R. Martin and G. Shaw: Particle Physics (Wiley & Sons)
• F. Halzen and A.D. Martin: Quarks and Leptons (Wiley & Sons)
• H.V. Klapdor-Kleingrothaus: Teilchenphysik ohne Beschleuniger (Teubner)

Kernphysik

• K.S. Kane: Nuclear Physics (Wiley & Sons)
• W.N. Cottingham: Introduction to Nuclear Physics (Cambridge)
• W.T. Hering: Angewandte Kernphysik (Teubner)
• Y.M. Tsipenyuk: Nuclear Methods in Science and Technology (IOP Publishing)

Beschleuniger und Teilchendetektoren

• K. Kleinknecht: Detectors for Particle Radiation (Cambridge Univ.)
• K. Wille: Physics of Particle Accelerators (Oxford. Univ.)
• W.R. Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments (Springer)
• R. Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger (Springer)

Schulbücher

• Fokus Physik - Gymnasium Bayern 12 (Cornelsen)
• Physik Gymnasium Bayern 12 (Duden)

Interessante Veranstaltungen und Links

• Deutsche Lehrer(fort)bildung am CERN: https://teacher-programmes.web.cern.ch/german-teacher-programme
• Internationale Lehrerbildung am CERN: https://teacher-programmes.web.cern.ch/international-high-school-teacher-programme
• Unterrichtsmaterialien für die Kern und Teilchenphysik: https://scoollab.web.cern.ch/sites/default/files/documents/20180907_JW_SCoolLAB_lowcost_tour.pdf

Es findet eine mündliche Prüfung von 40 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Erklären Sie die Funktionsweise einer Vieldrahtproportionalkammer.
• Was beschreibt der Formfaktor eines Teilchens?
• Wie sind im Konstituentquarkmodell Mesonen, Baryonen und ihre Antiteilchen jeweils aus Quarks bzw. Antiquarks aufgebaut?
• Welche Austauschteilchen vermitteln die schwache Wechselwirkung?
• Welche Symmetrien sind in den drei fundamentalen Wechselwirkungen des Standardmodells erhalten?
• Welcher Prozess liefert den größten Beitrag zur Energieproduktion im Inneren der Sonne?
• Wie hängt der Radius eines Kerns von der Massenzahl ab?

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.