Einführung in die Elementarteilchentheorie WS'15/16

Prof. Dr. Heinrich Päs
Di 12:15-14:00 M E28 (Mathematik) und Do 12:15-14:00 OH 12 E.003 (Informatik)
4+2 SWS, 12 Credit Points

Kontakt

Büro: P1-04-309,

Übungsgruppen

• Gruppe I: Mi 14-16, SRG 1 3.009, Box 250 (Max Kämper/Erik Schumacher)
  
• Gruppe II: Mi 14-16, SRG 1 3.013, Box 233 (Mathias Becker/Sinan Zeissner)
• Gruppe III: Mi 16-18, P1-01-306, Box 250 (Kamila Kowalska/We-Chih Huang, englisch)
• Beginn: Mi 11.11.

Übungsblätter

• Übungsblatt 1 (Abgabe 6.11.)
• Übungsblatt 2 (Abgabe 13.11.)
• Übungsblatt 3 (Abgabe 20.11.)
• Übungsblatt 4 (Abgabe 27.11.)
• Übungsblatt 5 (Abgabe 4.12.)
• Übungsblatt 6 (Abgabe 11.12.)
• Übungsblatt 7 (Abgabe 18.12.)
• Miniskript Young-Tableaux
• Übungsblatt 8 (Abgabe 8.1.)
• Übungsblatt 9 (Abgabe 15.1.)
• Übungsblatt 10 (Abgabe 22.1.)
• Übungsblatt 11 (Abgabe 29.1.)

• 50 % der Übungspunkte, Abgabe in maximal 3er-Gruppen bis Fr, 10:00 Uhr in den Postfächern der Übungsleiter
  
• Regelmäßige Teilnahme an den Übungsgruppen (maximal 2 mal fehlen ohne Entschuldigung)
  
• Mindestens 1 mal vorrechnen
  
• Klausur am Semesterende

• Einführung und Kinematik
  
• Quantenelektrodynamik
  
• Quantenchromodynamik
  
• Eichtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung
  
• Das Standardmodell
  
• Grand Unified Theories und Supersymmetrie
  
• Ausblick: Teilchenkosmologie, extra Dimensionen, Superstrings
  

• 20.10.: Einführung I
  Was ist Elementarteilchenphysik?; Übersicht Quarks, Leptonen und Wechselwirkungen; Historischer Abriss: Substrukturen der Atome; Entdeckungen von Positron, Mesonen und Myon in der kosmischen Strahlung; Neutrinos.
  (Literatur: Griffiths Kap. 1)
• 22.10.: Einführung II
  Historischer Abriss (Fortsetzung): Neue Hadronen und das Quarkmodell; zweite und dritte Generation; Die schwache Wechselwirkung und das Standardmodell; Neutrinomassen; Probleme der Massenerzeugung und Symmetriebrechung - neue Physik an der TeV-Skala?; Weitere offene Fragen; Relativistische Wellengleichungen
  (Literatur: Griffiths Kap. 1)
• 27.10.: Kinematik I (Prof. Hiller)
  
• 29.10.: Kinematik II (Prof. Hiller)
  
• 3.11.: Recap Feldquantisierung I
  Grenzen der Relativistischen Quantenmechanik, Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren am Beispiel des Harmonischen Oszillators, Übergang zur Feldtheorie (Lagrangedichte, Euler-Lagrange-Gleichungen, kanonische Feldimpulse, Hamiltondichte, Poissonklammern), Natürliche Einheiten, Kanonische Quantisierung des reellen Klein-Gordon-Felds (Lagrange- und Hamiltondichte)
  (Literatur: Lahiri/Pal Kap. 2 und 3)
• 5.11.: Recap Feldquantisierung II
  Kanonische Quantisierung des reellen Klein-Gordon-Felds (Lagrange- und Hamiltondichte, kanonische Kommutatorrelation, Fourierzerlegung, Vernichtungs- und Erzeugungsoperatoren), Fockraum, Normalordnung, Teilchenzahloperator, Quantisierung des komplexen Klein-Gordon-Felds, Ladungserhaltung und Antiteilchen, Quantisierung des Dirac-Felds
  (Literatur: Lahiri/Pal Kap. 3 und 4)
• 10.11.: Quantenelektrodynamik I
  Quantisierung des Diracfelds (Symmetrie, Fourierzerlegung, Antikommutatoren, Propagator),
  (Literatur: Lahiri/Pal Kap. 4)
• 12.11.: QED II
  Lokale Eichinvarianz der QED: globale und lokale Symetrien, Eichprinzip, minimale Substitution, Eichfelder, kovariante Ableitung, Quantisierung des Elektromagnetischen Felds, Probleme bei der Quantisierung, Eichfixierung
  (Literatur: Lahiri/Pal Kap. 8)
• 17.11.: QED III
  Bestimmung des Propagators, Feynman-t'Hooft- und Landau-Eichung, Fourierentwicklung des elektromagnetischen Felds, Polarisationsvektoren, physikalische Zustände Bestimmung des Propagators
  (Literatur: Lahiri/Pal Kap. 8.7, 9.1)
• 19.11.: QED IV
  Skalare QED, Wechselwirkende Theorie, S-Matrixentwicklung, Wick-Theorem, Feynman-Regeln für die Yukawa-Wechselwirkung: Konstruktion von Feynmandiagrammen aus Termen der S-Matrix-Entwicklung 1. Ordnung
  (Literatur: Lahiri/Pal Kap. 5.3, 5.4 und 6.1)
• 24.11.: QED V
  Konstruktion von Feynmandiagrammen aus Termen der S-Matrix-Entwicklung 3. Ordnung, Normierung der Zustände, Vernichtung von End- und Erzeugung von Anfangszuständen.
  (Literatur: Lahiri/Pal Kap. 6.2, 6.3, 6.5, 6.6)
• 26.11.: QED VI
  Feynmanregeln für Skalare und Fermionen; Virtuelle Teilchen, Feynmanregeln der QED.
  (Literatur: Lahiri/Pal Kap. 6.6, 6.7, 9.2-9.4)
• 1.12.: QED VII
  Berechnung von Zerfallsrate, Spinsummen
  (Literatur: Lahiri/Pal Kap. 7.1, 7.2)
• 3.12.: QED VIII
  Spurbildung, Berechnung von Wirkungsquerschnitten
  (Literatur: Lahiri/Pal Kap. 7.2-7.4)
• 8.12.: QED IX
  Vertizes und Prozesse niedrigster Ordnung, Moeller-Streuung: Feynmandiagramme, Feynmanregeln Spinsummen und Spurtechnologie, Wirkungsquerschnitt für die Moeller-Streuung, nicht-realtivistischer und ultrarelativistischer Limes, Skalenverhalten, Bhaba-Streuung, Crossing, e-e+-> Myon-Paarproduktion,
  (Literatur: Lahiri/Pal Kap. 9.4-9.6)
• 10.12.: QCD I
  Regularisierung und Renormierung am Besipiel der Elektron-Myon-Streuung: nackte und physikalisch messbare Ladung, Aufhebung der Divergenzen, laufende Kopplung.
  (Literatur: Griffiths Kap. 7.9, Schmüser Kap. 7.1-7.3)
• 15.12.: QCD I
  Hadronische Reaktionen und Partonmodell: Nukleon-Formfaktoren und elastische Elektron-Nukleon-Streuung.
  (Literatur: Schmüser Kap. 7.1-7.3,7.4,11.1, Nachtmann Kap. 15)
• 17.12.: QCD II
  Inelastische Elektron-Nukleon-Streuung und Proton-Substruktur. Innere Symmetrien der starken Wechselwirkung: SU(2)-Invarianz und Isospin, Quark-Modell: Strange particles und Flavor-SU(3), Meson- und Baryonoktett, Eigenschaften der SU(3)-Gruppe, Quark- und Antiquarkzustände.
  (Literatur: Schmüser Kap. 7.1-7.3,7.4,11.1, Nachtmann Kap. 15)
• 5.1.: QCD III
  Mesonen und Baryonen als direkte Produkte, Baryon-Dekuplett und Farbfreiheitsgrad, Color-SU(3);
  (Literatur: Schmüser Kap. 12.2, Nachtmann Kap. 17)
• 7.1.: Einschub: Gruppentheorie der SU(n)-Gruppen
  Symmetrien in der Quantenmechanik, Wiederholung Gruppen und Darstellungen, Eigenschaften von Lie-Gruppen (Generatoren, adjungierte Darstellung, Rang, Casimir-Operatoren), SU(2) und Spin-Kopplung, Young-Tableaux und die SU(n)
  Miniskript Young-Tableaux
• 12.1.: QCD IV
  Lokale SU(3)-Color-Transformationen: Quarkwellenfunktion und Farbspinoren SU(3)-Eichinvarianz der Dirac-Gleichung, Lagrangedichte der QCD, Quark-Gluon-Wechselwirkung und Auf-/Absteigeoperatoren, Laufende Kopplung der QCD, asymptotische Freiheit, Feynmanregeln der QCD
  (Literatur: Schmüser Kap. 12.4; Halzen Kap. 7.9; Griffiths Kap. 9.1)
• 14.1.: QFD I
  Schwache Wechselwirkung: Einführung, Fermi-Theorie und intermediäre Bosonen, Neutrinomasse im Betazerfall, Unterdrückung der effektiven Fermi-Kopplung, Paritätsverletzung, Helizität und Chiralität, V-A-Theorie, Ausrichtungsgrad falscher Helizität
  (Literatur: Schmüser Kap. 6)
• 19.1.: QFD II
  Pion-Zerfall, V-A vesus S,P-Kopplungen, schwache Wechselwirkung von Hadronen, Cabbibo-Winkel GIM-Hypothese, CKM-Matrix, Wolfenstein-Parametrisierung
  (Literatur: Schmüser Kap. 6)
• 21.1.: QFD III
  CP-Verletzung im Kaon-System, CP-Verletzung und komplexe Phasen. elektroschwache SU(2)xU(1)-Theorie, schwache Hyperladung, Kopplung der W-Felder an linkshändige Leptonen, neutraler Strom und Weinbergwinkel
  (Literatur: Cottingham Kap. 18, Schmüser Kap. 11)
• 26.1.: QFD IV
  Photonfeld und Z-Feld, Kopplungen der Neutrinos, Elektronen und Quarks an W-, Z- und Photonfeld, Spontane Brechung einer kontinuierlichen globalen Symmetrie: Beispiel U(1), Goldstone-Theorem
  (Literatur: Schmüser Kap. 11, Halzen Kap. 14.7-14.9, Schmüser Kap. 10)
• 2.2.: QFD V
  Higgs-Mechanismus: Brechung einer lokalen U(1)-Eichsymmtrie, Eichbosonmassen und Zahl der Freiheitsgrade, Analogie zum Meißner-Efekt im Typ-I Supraleiter, Erzeugung der W- und Z-Massen, Erzeugung der geladenen Fermionmassen via Yukawakopplungen an das Higgs-Feld,
  (Literatur: Halzen Kap. 14.7-14.9, Schmüser Kap. 10)
• 4.2.: QFD VI
  Neutrinomassen: Neutrinomischung und -oszillationen, Tri-Bimaximale Mischung, Massenspektrum, Dirac- und Majoranamassen, Seesaw-Mechanismus
  (Literatur: Schmüser Kap. 11, Fukugita/Yanagida Kap. 2.2.5, 6.1-6.7)
• 9.2.: QFD VII
  Selbstwechselwirkungen der Eichbosonen, Eichboson- und Higgs-vertizes, Zerfälle der W- und Z-Bosonen, Standardmodell und offene Fragen
  (Literatur: Schmüser Kap. 11)
• 25.2.: Extra-Vorlesung: GUTs und Beyond
  12:00 Uhr, P1-01-306
  SU(5): Fermionmultipletts und Branching-Regel, Vorhersage von Ladungsquantisierung und Weinberg-Winkel, Proton-Zerfall, laufende Kopplungen; SO(10): SU(n)-Untergruppen der SO(2n), Spinordarstellung und Fermionmultipletts; Trinification, Quartification, Links-Rechts-Symmetrie, Exzeptionelle Gruppen; Supersymmetrie, Stringtheorie, extra Dimensionen, Teilchenkosmologie
  (Literatur: Zee Kap. VII.5-VII.7, Grand Unified Theories, Zee Kap. VIII, PDG Reviews, Ellis-Papers)

Literatur

Übersicht

D. Griffiths: Introduction to Elementary Particles
F. Halzen, A. Martin: Quarks & Leptons
O. Nachtmann: Elementarteilchenphysik: Phänomene und Konzepte
W. Cottingham, D. Greenwood: An Introduction to the Standard Model of Particle Physics


Vorlesungsstoff

A. Lahiri, P.B. Pal: A first book of Quantum Field Theory
P. Schmüser: Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker


Vertiefung

T.-P. Cheng and L.-F. Li: Gauge Theory of elementary particles
L.B. Okun: Leptons and Quarks
V. Barger, R. Phillips: Collider Physics
A. Zee: Quantum field theory in a nutshell
M.E. Peskin, D.E. Schroeder: An Introduction to Quantum Field Theory
M. Fukugita, T. Yanagida: Physics of neutrinos and applications to astrophysics
Reviews auf der Seite der Particle Data Group
J. Ellis: Beyond the standard model for hill walkers, http://arxiv.org: hep-ph/9812235
J. Ellis: Particle physics and cosmology, http://arxiv.org: astro-ph/0305038
T.Ohl: Feynman-Graphen für Anfänger von der Herbstschule Maria Laach