KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und
nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA
www.kit.edu
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und
nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA
www.kit.edu
Kern- und Teilchenphysik SS2012
Johannes Blümer
Themen und Inhalte der Vorlesung
1) Di 17. April Übersicht, Notation, Kinematik
Inhaltsverzeichnis, Übungsbetrieb, Literatur, Notationen, Tour de Force, relativistische Kinematik 2) Do 19. April Beschleuniger
HV-Erzeugung, stat. Generatoren, Linearbeschleuniger, zykl. Beschleuniger, Kollider, kosm. Beschleuniger 3) Di 24. April Detektoren 1
Wechselwirkung von Teilchen und Strahlen mit Materie; experimentelle Methoden 4) Do 26. April Detektoren 2
Detektorbaukasten; Grossdetektoren; andere Anwendungen - Di 1. Mai Tag der Arbeit
5) Do 3. Mai Atomkerne 1
Streuversuche, Entdeckung der Atomkerne, Rutherford; Eigenschaften stabiler Kerne 6) Di 8. Mai Atomkerne 2
Masse, Bindungsenergie, Form von Kernen; Kernkräfte und Kernmodelle 7) Do 10. Mai Kernreaktionen 1
Spontane Zerfälle (Alpha, Beta, Gamma-Zerfälle);
8) Di 15. Mai Kernreaktionen 2
induzierte Kernspaltung, Kerntechnik; Kernfusion - Do 17. Mai Himmelfahrt
9) Di 22. Mai Kernphysik im Universum
Elementsynthese im Urknall; ~ in Sternen, Sternentwicklung, Supernovae; Kosm. Strahlung 10) Do 24. Mai Nukleonen 1
Elastische Streuung, Formfaktoren, Ladungsradien 11) Di 29. Mai Nukleonen 2
Tiefinelastische Streuung, angeregte Zustände von Nukleonen, Strukturfunktionen, Partonen, Quarks 12) Do 31. Mai Quarks, Gluonen, Hadronen
Quarkstruktur der Nukleonen, Quarks in Hadronen, qg-WW, Skalenverhalten 13) Di 5. Juni e+e- Kollisionen
Teilchenproduktion, Leptonpaare, Resonanzen, nicht-resonante Hadronproduktion, Gluonen - Do 7. Juni Fronleichnam
14) Di 12. Juni Symmetrien und Erhaltungssätze
Kontinuierliche und diskrete Symmetrien; C, P, CP, CPT 15) Do 14. Juni Schwache Wechselwirkung
Neutronen, Betazerfall, Paritätsverletzung, V-A-Wechselwirkung 16) Di 19. Juni Neutrale Kaonen
Kaonen, CP-Verletzung, CKM-Matrix 17) Do 21. Juni Neutrinos als Sonde
Geladene und neutrale Ströme, Neutrino-Quark-Streuung 18) Di 26. Juni W und Z Bosonen
Entdeckung und Eigenschaften, Bedeutung der Präzisionsmessungen 19) Do 28. Juni Das Standardmodell
20) Di 3. Juli Neutrino-Oszillationen
Neutrinos aus der Sonne, aus Beschleunigern und Reaktoren 21) Do 5. Juli Neutrinomasse
Neutrinomasse im Standardmodell, kosmologische Bedeutung; Betazerfall (KATRIN etc.), 0νββ-Zerfall 22) Di 10. Juli Dunkle Materie
Evidenzen für DM; Teilchenkandidaten; Entdeckungsversuche 23) Do 12. Juli Kosmische Strahlung
Beschleunigung, Ausbreitung in der Galaxie, Luftschauer, extragal. K.S., Bedeutung für Astro- und Teilchenphysik 24) Di 17. Juli Astroteilchenphysik
Die Querverbindungen zwischen Astronomie, Kosmologie, Kern- und Teilchenphysik v. Urknall bis zum Higgs 25) Do 19. Juli Offene Fragen, neue Projekte
Aktuelle und geplante Experimente/Messungen
IKP in KCETA KT2012 Johannes Blümer
Inhalt
2
http://www.auger.de/~rulrich/lehre/kerneteilchen2012/index.html
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Größenordnungen und Energien
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Tour de Force
4
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA 5
KIT-IEKP 2 13.4.2010 G. Drexlin –VL01
moderne Kernphysik - Übersicht
Supernovae e
Quark Nukleon QCD
Schwere Ionen Kernreaktionen Sonne e
Neutronensterne e instabile
Kerne e
Kerne &
Hadronen
G. Drexlin 2010
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA 6
KIT-IEKP
3 13.4.2010
Detektoren
G. Drexlin –VL01
moderne Teilchenphysik – Übersicht
Nukleon &
Partonen
Beschleuniger
Wechselwirkungen Ereignistopologie
Datenanalyse Symmetrien
G. Drexlin 2010
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Astroteilchenphysik
7
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Standardmodell
9
Wechsel-
wirkung Boson Masse
[GeV]
rel. Stärke [3 × 10
-17m]
Reichweite
[m] Potenzial stark Gluonen 0 60 2.5 · 10
−15αr
-1+ βr
elektromagnet. Photon 0 1 ∞ 1/r
schwach W
+W − Z
080.4
91.2 10
−4~10
−18(r)
G. Drexlin 2010
Relativistische Kinematik - Zusammenfassung
Relativistische Kinematik
Lorentztransformation
Energie- Impuls-Erhaltung, Wechsel der Bezugssysteme
Anwendungsbeispiele
IKP in KCETA KT2012 Johannes Blümer
Heute
17
2) Do 19. April Beschleuniger
HV-Erzeugung, statische Generatoren,
Linearbeschleuniger, zyklische Beschleuniger, Kollider, kosmische Beschleuniger
R.M. Jones, Physics of Particle Accelerators, PHYS 4722, Circular Accelerators Lecture, 2011.
www.hep.manchester.ac.uk/u/rmj/PHYS4722
“ Jones”
“ Brüning”
A TIMELINE OF MAJOR PARTICLE ACCELERATORS ByAndrew Robert Steere
A THESIS Submitted to Michigan State University in partial fulfillment of the requirements
for the degree of
MASTERS OF SCIENCE IN PHYSICS Department of Physics and Astronomy
2005
A TIMELINE OF MAJOR PARTICLE ACCELERATORS By
Andrew Robert Steere
A THESIS Submitted to Michigan State University in partial fulfillment of the requirements
for the degree of
MASTERS OF SCIENCE IN PHYSICS Department of Physics and Astronomy
2005
“ Steere”
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
energiereiche Teilchen...
18
Radioaktive Quellen:
maximal einige MeV für α , e, γ kosmische Strahlung:
Energien von Gev bis über 100 EeV
‘kostenlos’, aber unkontrollierte & unverstandene Zusammensetzung
Intensität dN/dE ∝ E –3
de Broglie-Wellenlänge eines Teilchens: λ = h/p
R.M. Jones, Physics of Particle Accelerators, PHYS 4722, Circular Accelerators Lecture, 2011.
6 6
Speed of light:
Relativistic energy:
Relativistic momentum:
E-p relationship
Kinetic energy
Equation of motion under Lorentz force
1 8
m sec 10
99792458 .
2 c
2 0
2
m c
mc E
c m
mv
p 0
2 12
2 2
1 1 1
c v c
v
2 2 0 2
2 2
c m c p
E
pc E
, 1 particles
ic relativist ultra
2
1
0 2
0
c m c
m E
T
0
dp d
f m v q E v B
dt dt
Basic Concepts I
Lorentzkraft
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
einfachste e-Beschleuniger
19
Brüning
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
HV-Erzeugung: Cockcroft-Walton-Generator
20
Jones
R.M. Jones, Physics of Particle Accelerators, PHYS 4722, Circular Accelerators Lecture, 2011.
15
Operation of Cockcroft-Walton
More current (>1929!)
design of Cockcroft Walton voltage multiplier driven
by ac voltage supply (left) and a multi-electrode
accelerator column (right)
Current designs allow 5 MV and ~tens mA, => 100 kW
beam
Maximum voltage 2 x n x U 0 plus a correction for current induced losses:
0
2 2
total
3
U n U I p( n )
C
C individual capacitance n=number of stages
I=ohmic + beam losses
p~n polynomial dependence limitation on n: voltage drop with I grows quickly with the number of stages.
Thus, lar
2 3
total total
total
ge C and large reduce the effect of I on U
U n
Stability : ~ ~ few %
U RC
Not necessary to learn or derive these formulae –but worth being aware of cubic dependence on the number of stages, n
R.M. Jones, Physics of Particle Accelerators, PHYS 4722, Circular Accelerators Lecture, 2011.
14
Splitting the atom 1932
the birth of the energy frontier - 800 KeV p + Li He + He
John Cockcroft
b. Todmorden (Lancs and Yorks!) ed. Manchester Univ (Maths)
Manchester College of Technology (Elec. Eng.) Metropolitan-Vickers, Manchester
PhD then post-doc Cambridge Univ.
Ernest Walton
ed. TC Dublin, MSc hydrodynamics PhD student, Cambridge Univ.
“Splitting the atom” at Cambs..
DL Cockcroft-Walton =>
to Cockcroft Inst .
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Van de Graaf-Generator
21
Van-de-Graaff-Generator schematisch
1. metallische Hohlkugel (trägt positive Ladung)
2. oberer Abnahmekamm (o.
Bürste), mit kleinem Abstand zum Band (jedoch ohne
Berührung)
3. obere Umlenkrolle (plexiglass) 4. positiv geladene Bandseite
(Band dielektrisch)
5. negativ geladene Bandseite 6. untere Umlenkrolle (Metall)
7. unterer Abnahmekamm (Erde, Gegenelektrode f. neg. Ladung) 8. Kugel mit negativer Ladung (zur
Entladung der Hauptkugel)
9. Funkenstrecke (mgl. Lichtbogen bei der Entladung)
Wikipedia
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
einstufiger vdG-Generator
22
Brüning
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Tandem-vdG-Generator
23
Brüning
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Cockcroft-Walton am Fermilab
24
Jones
KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA
Zyklotron
25
