FB05 Physik

Lehrinhalte
Welchen Radius hat ein Proton? Sind die magischen Zahlen universell oder gelten sie nur nahe an der Stabilität? Funktioniert die Quantenelektrodynamik (QED) auch noch in extrem starken elektromagnetischen Feldern? Welche Eigenschaften hat Antiwasserstoff? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie im Universum? Dies sind einige der hochaktuellen Fragen, auf die auch laserspektroskopische Experimente Antworten suchen. Bei der Suche nach „Physik jenseits des Standardmodells (SM)“ setzt man dabei auf hohe Präzision statt auf immer höhere Energien. Wie Forensiker am Tatort nach Spuren des Verbrechens, fahndet die Laserspektroskopie durch immer genauere Messungen nach winzigen Hinweisen auf das Vorhandensein neuer Teilchen oder Kräfte, die im SM nicht existieren. Darüber hinaus ist sie zur Bestimmung von Größe und Form kurzlebiger Atomkerne und als Werkzeug zur Präparation von Atomen und Ionen bei vielen Experimenten nicht mehr wegzudenken. Wenn Sie mehr über das Wie und Warum wissen wollen, sind Sie in dieser Vorlesung genau richtig.

Neben den laserspektroskopischen Methoden die dabei zum Einsatz kommen, lernen Sie auch die Techniken zur Erzeugung und Präparation des oft „exotischen“ Untersuchungsgegenstandes kennen. Als exotisch bezeichnen wir dabei einerseits Systeme mit kurzlebigen Komponenten, beispielsweise Myonen, Pionen oder radioaktive Kerne und andererseits stabile Systeme, die aber unter gewöhnlichen Bedingungen nicht existieren, beispielsweise Antiwasserstoff oder hochgeladene Ionen wie Bi82 . In vielen Fällen ist es notwendig diese Systeme nach Ihrer Erzeugung zu speichern, um ausreichend Zeit für ihre Untersuchung zu haben – Speicher-  und Kühlmethoden sind daher ebenfalls ein wichtiges Thema der Vorlesung.

In den [b]Übungen [/b]werden wir in der Vorlesung erworbene Kenntnisse anhand von [b]Original­publikationen [/b]vertiefen und anwenden Hier und in einigen Vorlesungsstunden werden wir die Methode des „flipped-classroom“ erproben.

[b]Laborbesichtigungen [/b]an der TU, der GSI und am TRIGA Reaktor in Mainz runden die Veranstaltung ab.

[u]Aus dem Inhalt[/u]:

1. SPEKTROSKOPIE WASSERSTOFFÄHNLICHER SYSTEME
1.1   Spektroskopie an Wasserstoff und Deuterium
1.2   Das Rätsel des Protonenradius: Spektroskopie an myonischem Wasserstoff
1.3   Spektroskopie an Positronium
1.4   Spektroskopie von Antiwasserstoff
1.5   Spektroskopie hochgeladener wasserstoff-ähnlicher Ionen am Speicherring und in Fallen

2. SPEKTROSKOPIE RADIOAKTIVER ISOTOPE
2.1 Isotopieverschiebung,
2.2 Erzeugung radioaktiver Isotope
2.3 Kollineare Laserspektroskopie und Anwendungen
2.4 Optisches Pumpen und beta-NMR
2.5 Resonanzionisation: Präzision und Effizienz
2.6 Spektroskopie in Atomfallen
2.7 Spektroskopie in Paulfallen

3. SCHWACHE WECHSELWIRKUNG UND DISKRETE SYMMETRIEN
3.1   Grundlagen der schwachen Wechselwirkung
3.2   Beta-Neutrino Korrelationen
3.3   Paritätsverletzung in Atomen
3.4   CP-Verletzung: Auf der Suche nach elektrischen Dipolmomenten

4. TEST DER RELATIVITÄTSTHEORIE


 

Literatur
Ein umfassendes Lehrbuch zu diesem Themenkomplex existiert noch nicht. Zum Teil werden wir Originalliteratur aus der physikalischen Forschung und entsprechende Übersichtsartikel verwenden, die während des Semesters in elektronischer und/oder schriftlicher Form zur Verfügung gestellt werden.

Zum Nachlesen vieler Aspekte der Laserspektroskopie die im ersten Teil der Vorlesung behandelt werden ist z.B. das Buch von Demtröder "Laserspektroskopie" (Band 1 & 2) geeignet.
Zum Nachlesen der Grundlagen der Atomphysik, z.B. : Demtröder Experimentalphysik Band 3

Konkrete Hinweise und Materialien werden in der Vorlesung und über den zugehörigen moodle-Kurs gegeben.

Voraussetzungen
Die Teilnehmer sollten Grundkenntnisse der Atom- und Kernphysik besitzen, wie sie in den entsprechenden Bachelorveranstaltungen vermittelt werden.

Offizielle Kursbeschreibung
Die Vorlesung vermittelt die Grundlagen moderner laserspektroskopischer Experimente mit exotischen Systemen die häufig an Beschleunigeranlagen durchgeführt werden. Hier werden Laser u.a. zur Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen, zur Strahlmanipulation und -präparation und zur Präzisionsspektroskopie eingesetzt. Letztere kann dabei zur Bestimmung von Kerneigenschaften oder auch zum Test fundamentaler Symmetrien und Wechselwirkungen verwendet werden. In diesem Sinne sind viele dieser Experimente an den Schnittstellen von Atom-, Kern- und Teilchenphysik angesiedelt.
Zu den verschiedenen Teilaspekten des Lasereinsatzes werden die notwendigen Grundlagen behandelt und neuere Experimente anhand der Originalliteratur besprochen. Dies geschieht in einem Wechselspiel der Besprechung theoretischer Grundlagen und experimenteller Techniken. Auch den physikalischen Motivationen hinter den besprochenen Experimenten wird ausreichend Raum gewidmet.

Zusätzliche Informationen
Auf Wunsch kann die Veranstaltug auch in englischer Sprache durchgeführt werden.

Bemerkung Webportal
In diesem Gebiet werden experimentelle Bachelor- und Masterarbeiten angeboten.

Online-Angebote
moodle

Bearbeitet von:
Im Rahmen der Vorlesungen wird eine Exkursion an die GSI und evtl. eine an den TRIGA Reaktor der Universität Mainz angeboten, um dort entsprechende Experimente zu besichtigen.

Lehrinhalte
[b]Physikalische Größen[/b]
- Größen und Einheiten
- Messunsicherheiten und Fehlerfortpflanzung
[b]Mechanik[/b]
- Kinematik des Massenpunkts
- Kräfte
- Arbeit und Energie
- Drehbewegungen
- Gravitation
- Starre Körper
- Deformierbare Festkörper
- Flüssigkeiten und Gase
[b]Schwingungen und Wellen[/b]
- Freie Schwingungen
- Gedämpfte Schwingungen
- Erzwungene Schwingungen
- Überlagerung von Schwingungen
- Harmonische Wellen
- Wellenüberlagerungen

Literatur
Die Vorlesung nimmt Bezug auf
[i]E. Hering, R. Martin, M. Stohrer,
Physik für Ingenieure
Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg, zz. 11. Auflage[/i]

Eine elektronische Fassung dieses Buchs ist aus dem TU-Netz über die Seite der Universitäts- und Landesbibliothek online zugänglich. 
Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Lehrbücher der physikalischen Grundlagen, z.B.:
[list]
[*]Gerthsen: Physik (Springer)
[*]Giancoli: Physik (Pearson)
[*]Halliday, Resnick, Walker: Physik (Wiley VCH)
[*]Lindner: Physik für Ingenieure (Hanser)
[*]Tipler: Physik (Spektrum)
[/list]
Ferner werden Arbeitsmaterialien zur Verfügung gestellt.

Erwartete Teilnehmerzahl
240

Online-Angebote
Moodle