% --------------------------------------------------------------------
% Vorlesung WS 2018/19
% Author: H. Kroha
% --------------------------------------------------------------------
%FORMAT latex % use LATEXE format
\documentstyle[epsfig,rotating,color,colordvi,fancyheadings]{foils}
% ---------------------------------------------------------------------
\oddsidemargin  -15mm
\evensidemargin -15mm
\topmargin -20mm
%\headheight 12pt
%\headsep 25pt
\footheight 12pt
\footskip 25pt
\textheight 265mm
\textwidth 180mm

\font\tenrm=cmr10

%\psdraft
\setcounter{page}{0}

\begin{document}
\pagestyle{empty}

\fboxrule=0.8mm
\fboxsep=3mm
\parindent=0.0em
\arrayrulewidth=0.6mm
\tabcolsep=1.5mm
\definecolor{light1}{gray}{0.8}
\definecolor{light2}{gray}{0.85}
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{center}
\vspace{10mm}

\begin{Large}
\textBlue
\fbox{\rule[-5mm]{0mm}{25mm}
\parbox{176mm}{
\begin{center}
\hfill \\
{\Large\bf Tests des Standardmodells} \\
{\Large\bf der Teilchenphysik} \\
\end{center}
}}
\textBlack
\end{Large}
\vspace{10mm}

{\bf Spezialfach\break
Kern-Teilchen-Astrophysik}

\vspace{7mm}
{\bf WS 2021/22 und SS 2022}

\vspace{12mm}

{\bf Prof.\ Dr.\ Hubert Kroha}

\begin{small}
Max-Planck-Institut f\"ur Physik

F\"ohringer Ring 6

80805 M\"unchen

E-mail: kroha@mppmu.mpg.de

URL: http://wwwatlas.mppmu.mpg.de/atlas$\_$mdt 

Skript: http://wwwatlas.mppmu.mpg.de/ftp/outgoing/vorlesung/ws18
\end{small}

\end{center}
\clearpage

%\begin{figure}[p]
%\hbox to 12mm{\hfill}
%\end{figure}
%\clearpage

\pagestyle{fancyplain}
 \headrulewidth 0pt
 \plainheadrulewidth 0pt
 \footrulewidth 1pt
 \plainfootrulewidth 1pt
\rhead[\fancyplain{}{}]{\fancyplain{}{}}
\lhead[\fancyplain{}{}]{\fancyplain{}{}}

\rfoot[\fancyplain{}{}]
{\fancyplain{\scriptsize \thepage}
{\scriptsize \thepage}}
\cfoot{}
\lfoot[\fancyplain{}{}]
{\fancyplain{\scriptsize Prof.~Dr.~H.~Kroha: Tests des Standardmodells der Teilchenphysik,
WS 2021/22}
{\scriptsize Prof.~Dr.~H.~Kroha: Tests des Standardmodells der Teilchenphysik, WS 2021/22}}

\end{document}
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{center}


\begin{large}
{\bf Inhalt}
\end{large}

\begin{enumerate}

\item  Das Standardmodell der Teilchenphysik

\begin{small}
\begin{itemize}

\item[1.1] Feldtheorien der Elementarteilchen

\item[1.2] Eichsymmetrien und Wechselwirkungen

\item[1.3] Die fundamentalen Kraefte und ihre Vereinheitlichung:\hfill\break
Quantenelektrodynamik, Quantenchromodynamik, elektroschwache Wechselwirkung

\item[1.4] Ursprung der Teilchenmassen, Higgs-Mechanismus

\item[1.5] Vergleich von Theorie und Experiment, Feynmangraphen
\end{itemize}
\end{small}

\item Aktuelle experimentelle Tests des Standardmodells

\begin{small}
\begin{itemize}

\item[2.1] Praezisionsmessungen der elektroschwachen Wechselwirkung

\item[2.2] Physik am Large Hadron Collider

\item[2.3] Die Entdeckung des Higgs-Bosons

\item[2.4] B-Mesonzerf\"alle und CP-Verletzung

\item[2.5] Neutrinomassen und Neutrino-Oszillationen

\end{itemize}
\end{small}

\item Suche nach Erweiterungen des Standardmodells

\begin{small}
\begin{itemize}

\item[3.1] Ungel\"oste Fragen im Standardmodell

\item[3.2] Vereinheitlichung der Wechselwirkungen 

\item[3.3] Suche nach der Supersymmetrie zwischen Fermionen und Bosonen

\item[3.4] Suche nach der Dunklen Materie im Universum

\end{itemize}
\end{small}

\end{enumerate}

\vspace{-200mm}

\end{center}
\clearpage
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{large}
{\bf Literatur}
\end{large}
\vspace{5mm}

\begin{small}
\begin{enumerate}

\item B.~Povh, K.Rith, Ch.~Scholz, F.~Zetsche:\hfill\break
{\sl Teilchen und Kerne},\hfill\break
Springer, 4.~Auflage, 1997.

\item Ch.~Berger:\hfill\break
{\sl Elementarteilchenphysik},\hfill\break
Springer, 2002.

\item P.~Schm\"user:\hfill\break
{\sl Feynmangraphen und Eichtheorien f\"ur Experimentalphysiker},\hfill\break
Springer, 2.~Auflage, 1995.

\item I.J.R.~Aitchison, A.J.G.~Hey:\hfill\break
{\sl Gauge Theories in Particle Physics, Vol.~1},\hfill\break
Institute of Physics Publishing, neue Auflage, 2002.

\item W.~Greiner, B.~M\"uller:\hfill\break
{\sl Quantum Mechanics--Symmetries},\hfill\break
Springer, 2.~Auflage, 1994.

\end{enumerate}
\end{small}
\clearpage
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{figure}

\begin{center}
\begin{large}
{\bf \"Ubungen zur Vorlesung (Englisch)}
\end{large}
\end{center}
\vspace{10mm}
Dr. Michael Holzbock\hfill\break
\vspace{5mm}

\noindent
Montag, 12:00-14:00 oder Mittwoch, 10:15-12:00\hfill\break
\vspace{3mm}

Garching\hfill\break 
\vspace{3mm}

Themenauswahl (nach Bedarf):
\vspace{3mm}

\begin{small}
\begin{enumerate}

\item  Grundlagen der relativistischen Feldtheorie
\item  L\"osungen der Feldgleichungen
\item  Anwendungen der Gruppentheorie in der Teilchenphysik
\item  Lie-Gruppen
\item  Eichsymmetrien
\item  Grundlagen der St\"orungstheorie und Feynman-Diagramme
\item  Berechnung von Wirkungsquerschnitten 
\item  Strahlungskorrekturen 
\item  Neutrinooszillationen in Materie
\item  Funktionsweise moderner Teilchendetektoren
\item  Supersymmetrie
\item  Andere ausgewaehlte Themen nach Wunsch

\end{enumerate}
\end{small}

\end{figure}
\clearpage
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{figure}

\begin{center}
\begin{large}
{\bf Proseminar 

``Physics at the Large Hadron Collider'' 

(Englisch)}
\end{large}
\end{center}
\vspace{15mm}

\noindent
Montag, 25.10.2021, 15:00:  Vorbesprechung

\vspace{5mm}
Max-Planck-Institut f\"ur Physik,

F\"ohringer Ring 6

80805 M\"unchen

Seminarraum 104
\end{figure}
\clearpage

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{figure}

\begin{center}
\begin{large}
\Blue{\bf 1\hphantom{.1} Das Standardmodell der Teilchenphysik}
\vspace{10mm}

\Blue{\bf Teilchen und Wechselwirkungen}
\end{large}
\vspace{20mm}

\begin{large}
\Red{\bf Fermionen (Spin 1/2)--Materiebausteine}
\end{large}
\vspace{10mm}
\renewcommand{\arraystretch}{1.25}

\begin{tabular}{|c|c|r|c||c|}

\hline

\multicolumn{5}{|c|}{\mbox{\begin{large} \Red{\bf Leptonen}\end{large}}} \\ [2mm]
\hline
  & Symbol & Masse\hspace{10mm} & el.\ Ladung & Entdeckung \\
\hline\hline
1 & \Red{$\nu_e$} & \Blue{$< 2.2 (0.28)$~eV} & \hphantom{$-$}0 & Cowan, Reines 1956 \\
  &               &                         &                 & (inverser $\beta$-Zerfall) \\
\cline{2-5}
  & \Red{$e^-$} & \Blue{0.5110~MeV} & $-1$ & Kathodenstrahlen vor \\
  &                       &                   &      & 1900 (Positron 1932) \\
\hline\hline

2 & \Red{$\nu_\mu$} &  \Blue{$< 190$~keV} & \hphantom{$-$}0 & Ledermann, Schwartz, \\
  &                 &                      &                 & Steinberger 1962 \\
\cline{2-5}

  & \Red{$\mu^-$} & \Blue{105.7~MeV} & $-1$ & Kosmische Strahlung \\
  &                         &                  &      & 1936 \\
\hline

3 & \Red{$\nu_\tau$} & \Blue{$< 18.2$~MeV} & \hphantom{$-$}0 & DONUT Experiment \\
  &                  &                     &                 & (FNAL) 1997-2000 \\
\cline{2-5}

  & \Red{$\tau^-$} & \Blue{1777~MeV} & $-1$ & M.~Perl et al. \\
  &                &                 &      & (MARK~I Exp.) 1975 \\
\hline
\end{tabular}

\end{center}
\vspace{5mm}

\Blue{$\bullet$} Da\ss\ Neutrinos auch eine, wenn auch sehr kleine Masse besitzen, ist
seit Sommer 1998 bekannt, als die sog.\ \Red{Neutrino-Oszillationen} entdeckt wurden.

\vspace{-200mm}
\end{figure}

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{figure}
\renewcommand{\arraystretch}{1.25}

\begin{center}

\begin{tabular}{|c|c|r|c||c|}

\hline

\multicolumn{5}{|c|}{\mbox{\begin{large} \Red{\bf Quarks}\end{large}}} \\ [2mm]
\hline
  & Symbol & Masse\hspace{10mm} & el.\ Ladung & Entdeckung \\
\hline\hline
1 & \Red{$d$} & \Blue{$\sim 5$~MeV} & $-1/3$   & $\sim 1964$  \\
& & & & \\
\cline{2-5}
  & \Red{$u$} & \Blue{$\sim 7$~MeV} & $+2/3$ & $\sim 1964$ \\
& & & & \\
\hline\hline

2 & \Red{$s$} &  \Blue{$\sim 150$~MeV} & $-1/3$ & $\sim 1964$ \\
& & & & \\
\cline{2-5}

  & \Red{$c$} & \Blue{$\sim 1.4$~GeV} & $+2/3$ & Richter et al.\ (SLAC), \\
  &                     &                       &        & Ting et al.\ (BNL) 1974 \\
\hline\hline

3 & \Red{$b$} & \Blue{$\sim 4.5$~GeV} & $-1/3$ & Lederman et al. \\
  &                     &                       &        & (FNAL) 1977 \\
\cline{2-5}

  & \Red{$t$} & \Blue{174.3~GeV} & $+2/3$ & CDF-, D0-Experimente  \\
  &                     &                &      & (FNAL) 1994 \\
\hline

\end{tabular}

\end{center}
\vspace{7mm}


Strangeness-Quantenzahl:\hfill\break
Assozierte Produktion von Kaonen, 1953. \hfill
\vspace{2mm}

SU(3)-flavour-Symmetrie: 1961. \hfill
\vspace{2mm}

Quarkmodell: Gell-Mann, Zweig 1964. \hfill
\vspace{2mm}

Substruktur der Hadronen (Partonen):\hfill\break
Hofstadter et al., Friedman, Kendall, Turner et al.\ (SLAC), 1969. \hfill
\vspace{3mm}


Review of Particle Properties: http://pdg.lbl.gov
\end{figure}


\vspace{-220mm}
\clearpage
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%\begin{figure}

%\begin{center}
%\mbox{\epsfig{figure=/home/pcatlas17/kroha/talks/berlin/vdi-d-5.eps,width=0.98\textwidth}}
%\end{center}

%\vspace{-200mm}

%\end{figure}
%\clearpage
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{sidewaysfigure}
\renewcommand{\arraystretch}{1.15}

\begin{center}

\begin{large}
\Red{\bf Bosonen (Spin 1)--Vermittler der Wechselwirkungen}
\end{large}                                                                                                   
\vspace{10mm}

\begin{tabular}{|l|c|c|c|c|}

\hline

Kraft & rel.\ St\"arke & wirkt auf & vermittelt durch & Theorie \\
\hline\hline

Starke WW & \Blue{1} & Quarks und Gluonen & \Red{8 Gluonen $g$}        & Quantenchromo- \\
          &          & (mit Farbladungen) & (masselos, Spin 1) & dynamik (QCD)  \\
\hline

Elektro-    & \Blue{$10^{-3}$} & elektrisch geladene & \Red{Photon $\gamma$} & Quantenelektro- \\
magnet.\ WW &                  & Teilchen         & (masselos, Spin 1) & dynamik (QED)   \\
\hline

Schwache WW & \Blue{$10^{-5}$} & Quarks, Leptonen & \Red{$W^+$, $W^-$, $Z^0$} & Quantenflavour- \\
            &                  & (au\ss er $\nu_R$), & (massiv, Spin 1) & dynamik (QFD),   \\
            &                  & $W^\pm$, $Z^0$ &   & GSW-Theorie  \\
\hline\hline

Gravitation & \Blue{$10^{-38}$} & alle Teilchen & \Red{Graviton} & Allgemeine \\
            &                   &               & (masselos, Spin 2) & Relativit\"ats- \\
            &                   &               &                    & theorie (ART)  \\
\hline

\end{tabular}

\end{center}
\vspace{10mm}

\begin{center}
\begin{large}
\Red{\bf Spin 0-Bosonen (Higgsboson)--Vermittler der Teilchenruhemassen}
\end{large}                                                                                                   
\end{center}

\end{sidewaysfigure}

\clearpage
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%\begin{figure}
%\begin{center}
%\begin{large}
%\Red{\bf Die fundamentalen Wechselwirkungen des Standardmodells}
%\end{large}
%\end{center}
%\vspace{8mm}

%\mbox{\epsfig{figure=/.at/wwwatlas/ftp/outgoing/vorlesung/plots/fermions.eps,width=\textwidth}}

%\vspace{-200mm}

%\end{figure}
%\clearpage
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{figure}

\begin{center}
\begin{large}
\Red{\bf Antiteilchen}
\end{large}
\end{center}
\vspace{5mm}

Zu jedem Elementarteilchen gibt es das zugeh\"orige \Red{Antiteilchen}
mit entgegengesetzen Ladungsquantenzahlen, aber der gleichen Masse und Lebensdauer.
Dies gilt aufgrund der \Red{CPT-Symmetrie}, die
f\"ur alle Teilchen und Wechselwirkungen gilt.
\vspace{4mm}

Die elektrisch neutralen Bosonen $\gamma$, $Z^0$ und $H$
sind mit ihren Antiteilchen identisch.
Bei den elektrisch neutralen Neutrinos
ist noch nicht gekl\"art, ob sie mit ihren Antiteilchen identisch sind (\Red{Majorana-Neutrinos}).
Alle anderen fundamentalen Teilchen besitzen von ihnen verschiedene Antiteilchenzust\"ande.
\vspace{4mm}

Damit sich der offensichtliche \"Uberschu\ss\ von Materie gegen\"uber Antimaterie
im Weltall bilden konnte, mu\ss\ u.a.\ die CP-Symmetrie verletzt sein (s.u.).

\end{figure}

\vspace{-200mm}
\clearpage
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\begin{figure}
\renewcommand{\arraystretch}{1.15}

\begin{center}
\begin{large}
\Red{\bf Quantenzahlen der Standard Modell-Teilchen}
\end{large}
\vspace{3mm}

\begin{small}
\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}

\hline
Teilchen & Spin & Elektr.  & Schwacher             & Farbe \\
         &      & Ladung Q & Isospin ($I$, $I_z$)  &       \\
\hline\hline

\Red{$\nu_{e L}$} & 1/2 & $\hphantom{-}0$ & (1/2, $+1/2$) & 0 \\
\Red{$e^-_{L,R}$}       & 1/2 & $-1$ & (1/2, $-1/2$) & 0 \\

\hline

\Red{$\nu_{\mu L}$} & 1/2 & $\hphantom{-}0$ & (1/2, $+1/2$) & 0 \\
\Red{$\mu^-_{L,R}$}       & 1/2 & $-1$ & (1/2, $-1/2$) & 0 \\

\hline

\Red{$\nu_{\tau L}$} & 1/2 & $\hphantom{-}0$ & (1/2, $+1/2$) & 0 \\
\Red{$\tau^-_{L,R}$}       & 1/2 & $-1$ & (1/2, $-1/2$) & 0 \\
\hline\hline

\Red{$u_{L,R}$}       & 1/2 & $+2/3$ & (1/2, $+1/2$) & $r,g,b$ \\
\Red{$d_{L,R}$}       & 1/2 & $-1/3$ & (1/2, $-1/2$) & $r,g,b$ \\

\hline

\Red{$c_{L,R}$}       & 1/2 & $+2/3$ & (1/2, $+1/2$) & $r,g,b$ \\
\Red{$s_{L,R}$}       & 1/2 & $-1/3$ & (1/2, $-1/2$) & $r,g,b$ \\

\hline

\Red{$t_{L,R}$}       & 1/2 & $+2/3$ & (1/2, $+1/2$) & $r,g,b$ \\
\Red{$b_{L,R}$}       & 1/2 & $-1/3$ & (1/2, $-1/2$) & $r,g,b$ \\
\hline\hline

\Red{$\nu_{e R}$}    & 1/2 & 0 & (0,0) & 0 \\
\Red{$\nu_{\mu R}$}  & 1/2 & 0 & (0,0) & 0 \\
\Red{$\nu_{\tau R}$} & 1/2 & 0 & (0,0) & 0 \\
\hline\hline

\Red{$\gamma$}  & 1 & $\hphantom{-}0$  & (0, 0) & 0 \\
\Red{$Z^0$}     & 1 & $\hphantom{-}0$  & (1, 0) & 0 \\
\Red{$W^-$}     & 1 & $-1$ & (1, $-1$) & 0 \\
\hline\hline

\Red{Gluonen} & 1 & $\hphantom{-}0$ & (0, 0) & $g\bar{r}$, $r\bar{b}$, $b\bar{g}$,  \\
          &   &                 &        & $r\bar{g}$, $b\bar{r}$, $g\bar{b}$,  \\
          &   &                 &        & $r\bar{r}-g\bar{g}$, \\
          &   &                 &        & $r\bar{r}+g\bar{g}-2b\bar{b}$ \\
\hline\hline
\Red{Higgs H}   & 0 & $\hphantom{-}0$ & (1/2,$-1/2$) & 0 \\
               
\hline
\end{tabular}
\end{small}

\end{center}
\end{figure}

\vspace{-200mm}

\clearpage
\end{document}
