Wenn man immer Protonen miteinander kollidieren lässt, sollte das Ergebnis nicht immer gleich sein?

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    • Wenn man immer Protonen miteinander kollidieren lässt, sollte das Ergebnis nicht immer gleich sein?

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      Das Ziel: Kurze (ca. 5-30 Zeilen), für Laien verständliche, fachlich korrekte Antworten, jeweils mit weiterführenden Linktipps.
      "Verständlich" heißt z.B.:
      - Einfacher Satzbau; Fremdwörter vermeiden oder gut erklären; Beispiele und Vergleiche einbauen.

      Mittelfristig soll die Antwortsammlung (nach Fakten- und Verständlichkeits-Checks) dann auf die Teilchenwelt-Homepage kommen.

      The post was edited 2 times, last by mkuhar ().

    • Nein, denn die Quantentheorie ist eine stochastische Theorie. Das bedeutet, dass verschiedene Ergebnisse mit verschiedenen Wahrscheinlichkeiten eintreten können. Damit wird in den meisten Fällen so ziemlich das Gleiche passieren, aber so unwahrscheinlich ein Ergebnis (vorausgesetzt die Eintrittswahrscheinlichkeit ist nicht Null) auch sein mag, wenn ich das Experiment häufig wiederhole, habe ich eine gemäß der Häufigkeit steigende Chance, dass ein unwahrscheinliches Ereignis eintritt. Hoffe ich also, unbekannte Teilchen zu entdecken, dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass diese entstehen, recht gering (in Anbetracht der Anzahl der schon durchgeführten Experimente) und meine Wahrscheinlichkeit, welche zu beobachten, erhöhe ich mit der Anzahl der Experimente.

      Tobias
    • Hallo!

      "Das bedeutet, dass verschiedene Ergebnisse mit verschiedenen Wahrscheinlichkeiten eintreten können."

      Hmm, hieraus ergeben sich für mich ein paar weitere Fragen... vielleicht kann man sie nicht alle auf einmal behandeln,aber ich glaube an diesem Punkt wäre es zumindest ganz gut, das eine oder andere Beispiel zu bringen. Was kann denn zum Beispiel herauskommen, wenn zwei Protonen kollidieren, und wie wahrscheinlich ist das? Was kann NICHT herauskommen? Kann man irgendwie berechnen/vorhersagen wie wahrscheinlich ein bestimmtes Ereignis ist?

      "meine Wahrscheinlichkeit, welche zu beobachten, erhöhe ich mit der Anzahl der Experimente."
      Vielleicht könnte man das am Beispiel Higgs o.ä. festmachen - wie hoch ist denn (theoretisch) die Wahrscheinlichkeit dass so was passiert und wie lange müsste man also messen, bis man sicher sein kann, dass es existiert oder nicht? ... Oder, wenn das dann zu lang wird, könnte man auf eine andere entsprechende Frage verweisen.

      LG Manuela
    • mkuhar wrote:

      an diesem Punkt wäre es zumindest ganz gut, das eine oder andere Beispiel zu bringen. Was kann denn zum Beispiel herauskommen, wenn zwei Protonen kollidieren, und wie wahrscheinlich ist das? Was kann NICHT herauskommen? Kann man irgendwie berechnen/vorhersagen wie wahrscheinlich ein bestimmtes Ereignis ist?


      Hmm, da bin ich der falsche Ansprechspartner. Ich kenne keine Zahlen.

      mkuhar wrote:

      bis man sicher sein kann, dass es existiert oder nicht?


      Das kann man nie. Da wir nur endlich viele Versuche durchführen können, gibt es immer eine Wahrscheinlichkeit, dass ein gewisses (nicht-sicheres) Ereignis nicht eingetreten ist. Außerdem heißt das Eintreten eines solchen Ergebnisses auch noch nicht, dass wir es auch beobachten und korrekt interpretieren.

      Tobias
    • Ergänzungen

      Zusätzlich zur Antwort von Tobias Hartung würde ich auch noch anführen:

      Ein Proton ist ein zusammengesetztes Teilchen, "enthält" also gewissermaßen jede Menge Einzelteile (die drei sogenannten Valenzquarks und Gluonen, aber zusätzlich auch noch virtuelle Seequarks - das müsste man wohl genauer erklären...). Wenn nun zwei Protonen zusammen stoßen, stoßen in Wirklichkeit jeweils zwei (oder mehr!) dieser Einzelteile zusammen, und da es verschiedene Sorten von Einzelteilen gibt, gibt es logischerweise dann auch verschiedene Ergebnisse der Zusammenstöße.

      Dazu kommt noch, dass die Einzelteile verschieden schnell sein können bzw. sich in unterschiedliche Richtungen bewegen können, und je nachdem kann der Zusammenstoß anders ablaufen (einfache Analogie: wenn eine Billardkugel zentral auf eine andere prallt, ist das Ergebnis natürlich anders, als wenn sie die andere nur streift).

      Außerdem kann selbst ein und derselbe Zusammenstoß auf verschiedene Weisen ablaufen. Beispielsweise könnten sich ein Quark und ein Anti-Quark gegenseitig zu einem Photon vernichten, und das Photon zerfällt dann wieder in ein Teilchen-Antiteilchen-Paar - und da gibt es eben wieder mehrere Möglichkeiten, welche Art von Paar entsteht.


      Zur Frage "wie groß sind die Wahrscheinlichkeiten jeweils": das wird im Wesentlichen durch die Wirkungsquerschnitte ausgedrückt, und die kann man sicher irgendwo nachlesen (eventuell bei der Particle Data Group?). Allerdings kommt erschwerend dazu, dass diese Wirkungsquerschnitte selbst wieder von der Schwerpunktsenergie abhängen; will man konkrete Wahrscheinlichkeiten angeben, so müsste man sich also erst mal auf eine bestimmte Energie einigen (naheliegend wären da natürlich die 7 TeV des LHC).


      Gruß,
      Björn
    • > Wenn nun zwei Protonen zusammen stoßen, stoßen in Wirklichkeit jeweils zwei (oder mehr!) dieser Einzelteile zusammen, und da es verschiedene Sorten von
      > Einzelteilen gibt, gibt es logischerweise dann auch verschiedene Ergebnisse der Zusammenstöße.

      Naja, logisch ist das nicht. Protonen bestehen aus Up- und Downquarks sowie Gluonen. In der Antwort sollte man auf jeden Fall erklären, wie es sein kann, dass daraus was ganz anderes entsteht - Elektronen, Neutrinos, W-Bosonen usw... das ist ja auf den ersten Blick so, als würden aus Erdbeeren
      plötzlich Äpfel und Birnen entstehen.
      Dazu gibt es auch ein witziges Bild - siehe unten :D

      > Dazu kommt noch, dass die Einzelteile verschieden schnell sein können bzw. sich in unterschiedliche Richtungen bewegen können, und je nachdem kann der
      > Zusammenstoß anders ablaufen (Billardkugel)

      Hmmm...hat das irgendetwas damit zu tun, welche Teilchen bei einer Kollision entstehen? Ich würde jetzt mal aus dem Stegreif behaupten, das hat nur einen Einfluss auf die Richtungen und Geschwindigkeiten der Teilchen. Quantenmechanische Details *kopfkratz*

      > Von was hängen die Ergebnisse ab?
      Ja nun, wie man die Wirkungsquerschnitte berechnet, ist wohl nicht ganz so einfach *g*
      Aber man sollte wohl erklären, welche Ergebnisse überhaupt möglich sind und welche nicht. Die entstehenden Teilchen müssen ja z.B. gewissen Erhaltungssätzen folgen (Ladungserhaltung, Leptonenerhaltung... welche noch?)

      > wie lange müsste man also messen, bis man sicher sein kann, dass es existiert oder nicht?
      Da war doch was: Ab einer Sicherheit von 5 Sigma spricht man von einer "Entdeckung" - wenn also die Wahrscheinlichkeit, dass es ein Zufall war, nur noch 0,000057% ist.
      Aber wann ist diese Grenze in der Praxis erreicht? Vielleicht gibt es ja jemanden, der sich mit Statistik auskennt und das kurz erklären kann :)

      Mal sehen, ob ich nächste Woche wieder jemand hier am Institut erwische. Oder wie stehts mit den Forumsteilnehmern? Wer nicht in Urlaub ist, melde sich :)
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    • Hallo,


      > Naja, logisch ist das nicht. Protonen bestehen aus Up- und Downquarks sowie Gluonen. In der Antwort sollte man auf jeden Fall erklären, wie es sein kann, dass daraus was ganz anderes

      > entsteht - Elektronen, Neutrinos, W-Bosonen usw... das ist ja auf den ersten Blick so, als würden aus Erdbeeren plötzlich Äpfel und Birnen entstehen.

      Das "logisch" bezog sich ja nur darauf, dass eben nicht jede Kollision genau dasselbe Ergebnis liefert (wie es ja in der ursprünglichen Frage stand). Dass da auch andere Teilchen entstehen können, ist natürlich nicht "logisch", das müsste man in der Tat noch erklären.



      > Dazu gibt es auch ein witziges Bild - siehe unten :D

      :D Ja, das Bild ist gut - wo hast du das denn her?


      > > Dazu kommt noch, dass die Einzelteile verschieden schnell sein können bzw. sich in unterschiedliche Richtungen bewegen können, und je nachdem kann der
      > > Zusammenstoß anders ablaufen (Billardkugel)
      >
      > Hmmm...hat das irgendetwas damit zu tun, welche Teilchen bei einer Kollision entstehen? Ich würde jetzt mal aus dem Stegreif behaupten, das hat nur einen Einfluss auf die Richtungen

      > und Geschwindigkeiten der Teilchen.

      Ja, hat nur auf letztere Dinge einen Einfluss. Aber wieder: in der ursprünglichen Frage ging's ja darum, warum das Ergebnis nicht immer gleich ist. Unterschiedliche Geschwindigkeiten / Richtungen sind doch ein anderes Ergebnis... oder habe ich die Frage falsch verstanden, und es ging "nur" darum, warum verschiedene Sorten von Teilchen dabei entstehen können?


      > Quantenmechanische Details *kopfkratz*

      Nee, hier eher quantenfeldtheoretische. ;)



      > Aber man sollte wohl erklären, welche Ergebnisse überhaupt möglich sind und welche nicht. Die entstehenden Teilchen müssen ja z.B. gewissen Erhaltungssätzen folgen (Ladungserhaltung,

      > Leptonenzahlerhaltung... welche noch?)

      Baryonenzahlerhaltung; solange es nur um die primär entstehenden Teilchen geht und nicht um solche, die durch sekundäre Zerfallsreaktionen usw. entstehen, auch Erhaltung der Strangeness und ähnliches. (und natürlich Energie-, Impuls- und Drehimpulserhaltung).


      Trotzdem bleíben da jede Menge Möglichkeiten: angefangen bei Paarvernichtung (Quark plus Antiquark) zu einem Photon, einem Gluon, einem W- oder Z-Boson (und wohl auch einem Higgsboson), aus dessen Zerfall dann wieder alle möglichen Paare entstehen können, über Gluonen-Annihilationen (und da gibt's einen Drei- und einen Vier-Gluonen-Vertex), bis zu Stößen zwischen Quarks, bei denen Gluonen abgegeben werden (so ähnlich wie Bremsstrahlung), ... und wahrscheinlich noch mehr Dinge, die mir gerade nicht einfallen. Und durch die starke Wechselwirkung entsteht aus praktisch jedem hadronischen Bruchstück letztlich ein ganzer Jet von Teilchen. Und die meisten der Teilchen werden instabil sein und sehr schnell wieder zerfallen, und zwar auch wieder in mehrere Teilchen.

      Wie sehr soll man da ins Detail gehen... ?(


      > Da war doch was: Ab einer Sicherheit von 5 Sigma spricht man von einer "Entdeckung" - wenn also die Wahrscheinlichkeit, dass es ein Zufall war, nur noch 0,000057% ist.
      > Aber wann ist diese Grenze in der Praxis erreicht? Vielleicht gibt es ja jemanden, der sich mit Statistik auskennt und das kurz erklären kann :)

      Mit Statistik kenne ich mich zwar nicht besonders gut aus, aber ich habe erst neulich ein wenig dazu gelesen:
      lhc-facts.ch/index.php?page=news2011 (unter dem Datum 9.7.2011)
      blogs.discovermagazine.com/cos…tron-and-the-higgs-boson/
      Ist das hilfreich? (im zweiten Artikel wird, soweit ich's verstehe, ausgesagt, dass, wenn der LHC bis zum Ende des Jahres nix gefunden hat, man die Existenz des Higgs ausschließen könne)

      Und übrigens war's meiner Erinnerung nach so rum, dass man 5 Sigma für eine Entdeckung braucht, aber nur 3 Sigma, um die Existenz eines Teilchens in einem gewissen Bereich auszuschließen. Wenn das Higgs also nicht existiert, dann können wir uns dessen früher sicher sein, als wenn es existiert...

      Gruß,
      Björn
    • > :D Ja, das Bild ist gut - wo hast du das denn her?

      Hier ist eine kleinere Version...


      > > Dazu kommt noch, dass die Einzelteile verschieden schnell sein können bzw. sich in unterschiedliche Richtungen bewegen können, und je nachdem kann der
      > > Zusammenstoß anders ablaufen (Billardkugel)
      >
      > Unterschiedliche Geschwindigkeiten / Richtungen sind doch ein anderes Ergebnis...

      Naja, schließlich hat jeder schon mal Billard o.ä. gespielt, von daher ist das für mein "Gefühl" ziemlich selbstverständlich... man könnte es natürlich erwähnen, aber der wirklich "neue" teilchenphysikalische Aspekt ist wohl eher, dass neue Teilchen entstehen können.

      > Wie sehr soll man da ins Detail gehen... ?(

      Gar nicht :D ... Deswegen ja der Vorschlag, die Erhaltungssätze zu erwähnen, um die Vielzahl an Möglichkeiten zu beschreiben, auch wenn viele Teilchen schnell wieder zerfallen.

      ... so jetzt bin ich erstmal zwei Wochen in Urlaub. Danach schaun mer mal, dass wir das Forum wieder mehr zum Laufen bringen :P

      Viele Grüße,
      Manuela
    • mkuhar wrote:

      Deswegen ja der Vorschlag, die Erhaltungssätze zu erwähnen, um die Vielzahl an Möglichkeiten zu beschreiben, auch wenn viele Teilchen schnell wieder zerfallen.

      Hm, das ist aber auch nicht sooo hilfreich... wenn man sich auf die primär erzeugten Teilchen beschränken will, müsste man so exotische Sachen wie Erhaltung der Strangeness erwähnen. Wenn man dagegen alle entstandenen Teilchen betrachtet, dann gilt die Erhaltung z. B. der Strangeness zwar nicht mehr (weil die ja durch schwache Zerfälle verletzt wird), aber das hilft auch nicht viel weiter - im Prinzip hat man dann nur noch Erhaltung von Energie, Impuls und Drehimpuls. Sprich: von den Elementarteilchen kann eigentlich alles entstehen (das schwerste ist das top-Quark mit ca. 175 GeV/c^2; bei einer Schwerpunktsenergie von 7 GeV kann davon locker eins plus Anti-top erzeugt werden), und von den bekannten zusammen gesetzten Teilchen selbst bei den sekundären Zerfallsreaktionen immer noch so ziemlich alles.


      Wenn du die Erhaltungssätze benutzen willst, könntest du letztlich also im Prinzip nur schreiben: "Die Energie ist so groß, dass dabei alle bekannten Teilchen entstehen können." Ist das wirklich befriedigend...?

      Gruß,
      Björn
    • So, hier mal ein konkreter Versuch einer Antwort (ist mal wieder etwas lang geworden... ;-) )

      Hm - hier wurde auch schon länger nichts mehr geschrieben...? Na, dann versuche ich mich mal an einer Antwort auf die ursprüngliche Frage, basierend auf dem, was hier zwischenzeitlich diskutiert wurde...

      Protonen sind keine "elementaren" Teilchen, sondern aus kleineren Teilchen aufgebaut. Man sollte sich also ein Proton nicht als harten Ball vorstellen, sondern eher als eine Wolke aus vielen kleinen (unterschiedlichen!) Einzelteilen, die sich wild durcheinander bewegen. Und wenn zwei Protonen zusammen stoßen, dann stoßen eigentlich immer diese kleineren Teilchen zusammen (je eins aus jedem Proton - dass auch mal mehr zusammen stoßen, kommt zwar auch vor, ist aber deutlich unwahrscheinlicher).

      Das alleine genügt eigentlich schon, um zu verstehen, warum nicht jede Kollision zwischen zwei Protonen immer zum selben Ergebnis führt. Man kann aber, wenn man sich noch einige Details mehr anschaut, noch einige Gründe mehr dafür finden. Dazu sollte man erst einmal wissen, welche Einzelteile es im Proton überhaupt gibt:
      • Erst mal besteht ein Proton aus zwei Up- und einem Down-Quark.
      • Dazu kommen aber noch Gluonen - das sind "Bindeteilchen", welche die Quarks zusammen halten.
      • ...und auch noch sogenannte See-Quarks - das sind Paare aus einem Quark und einem Anti-Teilchen dazu, die kurzfristig entstehen und gleich wieder verschwinden. Die See-Quarks können in allen möglichen Sorten vorkommen - da gibt es nicht nur Up- und Down-Quarks, sondern auch Strange-, Beauty-, Bottom- und Top-Quarks. (Allerdings sind die letzten drei so schwer, dass sie im Proton kaum auftreten.)
      Gerade die See-Quarks helfen dabei, zu verstehen, warum Kollisionen zwischen Protonen unterschiedlich ablaufen können. Dass solche Paare einfach so auftauchen und wieder verschwinden können, liegt letztlich an der bekannten Formel E = mc^2 aus der Relativitätstheorie Einsteins: Die sagt unter anderem aus, dass Energie sich in Masse umwandeln kann und umgekehrt. Für die Teilchenphysik heisst das aber auch, dass verschiedene Teilchen sich ineinander umwandeln können! Solange einige Erhaltungssätze (vor allem Erhaltung der Energie, des Impulses und des Drehimpulses - es gibt auch noch exotischere wie z. B. Erhaltung der Strangeness, die uns aber hier nicht zu interessieren brauchen) erfüllt sind, sind die verschiedensten Reaktionen zwischen den Einzelteilchen der Protonen möglich.

      Ein Quark aus dem einen Proton kann mit einem Anti-Quark aus dem anderen Proton zusammen treffen und die beiden können sich gegenseitig "annihilieren", das heisst, die beiden Teilchen verschwinden, und es bleibt nur Strahlung übrig. Von dieser Strahlung gibt es aber auch wieder verschiedene Sorten: elektromagnetische (Photonen) ist die bekannteste, aber es können auch Teilchen entstehen, die zur sogenannten schwachen Wechselwirkung gehören (W- und Z-Bosonen), oder auch die schon erwähnten Gluonen. (Oder auch Higgs-Bosonen - aber ob es die tatsächlich gibt, soll der LHC ja erst heraus finden.) Diese Strahlungsteilchen wandeln sich aber ihrerseits dann wieder in ein neues Paar aus einem Teilchen und einem Anti-Teilchen um - und dabei gibt es wieder verschiedene Möglichkeiten... neben den oben schon erwähnten sechs Quark-Sorten können auch Paare aus einem Elektron und einem Positron entstehen, oder ein Myon und ein Anti-Myon, oder ein Tauon und ein Anti-Tauon, oder Neutrinos, oder ein positives und ein negatives W-Boson, ...


      Außerdem gibt es auch noch andere mögliche Reaktionen - so können beispielsweise zwei (oder auch drei) Gluonen, die zusammen stoßen, zu einem einzigen Gluon verschmelzen ("gluon fusion"). Und
      außerdem muss man auch noch berücksichtigen, dass viele der neu entstandenen Teilchen dann ihrerseits auch wieder zerfallen und wiederum neue Teilchen erzeugen.

      All diese möglichen Reaktionen laufen letztlich rein zufällig ab. Keins der Einzelteilchen im Proton hat einen festgelegten Ort (laut der Quantenmechanik), also könnte man selbst bei genauester Kenntnis des Aufbaus eines Protons nicht vorhersagen, welche Einzelteile wie zusammen stoßen werden. Außerdem gälte selbst bei genauer Kenntnis eines Zusammenstoßes zwischen zwei Einzelteilen immer noch, dass das Ergebnis letztlich rein zufällig ist - man kann nicht vorhersagen, ob ein Gluon, ein Photon oder etwas anderes entstehen wird, sondern man kann nur die Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Möglichkeiten angeben. Ähnliches gilt für die nachfolgenden Zerfälle.

    • Moin,

      soo, ich bin wieder da!

      Super, das ist schon mal was! Ich hoffe du bist nicht allzu böse, wenn da beim Redigieren über 2/3 weggekürzt wird - der Text ist sehr redundant.

      > Gerade die See-Quarks helfen dabei, zu verstehen, warum Kollisionen zwischen Protonen unterschiedlich ablaufen können.

      Warum? Inwiefern? Mir erschließt sich nicht, ob bzw. warum die See-Quarks in diesem Zusammenhang überhaupt wichtig sind. Meiner Ansicht nach könnte man die Dinger einfach weglassen, ohne dass an der gesamten Argumentation was verlorengeht. Aber ich lasse mich gern eines besseren belehren :)

      > Dass solche Paare einfach so auftauchen und wieder verschwinden können, liegt letztlich an der bekannten Formel E = mc^2 aus der Relativitätstheorie
      > Einsteins:
      Die sagt unter anderem aus, dass Energie sich in Masse umwandeln kann und umgekehrt. Für die Teilchenphysik heisst das aber auch, dass
      > verschiedene Teilchen sich ineinander umwandeln können!


      Moment mal, hier steht : "E=mc² ...heisst...auch, dass Teilchen sich ineinander umwandeln können."
      Ich bin nicht sicher, ob das in E=mc² wirklich drinsteckt, bzw. die Argumentation wird nicht ganz klar, finde ich.

      > sind die verschiedensten Reaktionen zwischen den Einzelteilchen der Protonen möglich

      Chemische Reaktionen waren hier wohl nicht gemeint? Ich denke, hier passt das Wort "Reaktionen" nicht, eher "Wechselwirkungen" oder ähnliches.
      Hier muss man mit Begriffen seeeehr genau umgehen! :)

      LG Manuela
    • Seequarks etc.

      Hallo,

      stimmt, kommt nicht ganz so klar rüber, was gemeint war. Worauf ich rauswollte, war: an den Seequarks sieht man, dass sich Energie in Materie umwandeln kann bzw. Teilchen ineinander umwandeln können. Und das wiederum hilft dabei zu verstehen, warum so unterschiedliche Ergebnisse bei der Kollision heraus kommen können: weil sich eben Teilchen fast beliebig (innerhalb der Erhaltungssätze usw.) ineinander umwandeln können.

      Dass "Teilchen können sich ineinander umwandeln" in der Formel E = mc^2 nicht direkt drinsteckt, stimmt schon - aber zumindest hilft es dabei, das zu verstehen. Beruht letztlich nur auf dem, was man (hoffentlich) schon aus der Schule kennt: Energie kommt in verschiedenen Formen vor, die sich ineinander umwandeln können. Und E = mc^2 sagt mir eben, dass auch Masse eine Form der Energie ist - das legt nahe, dass auch Teilchen mit unterschiedlichen Massen sich ineinander umwandeln können. Um die Umwandlungen wirklich genau zu begründen und zu erklären, müsste man aber natürlich noch ein wenig tiefer einsteigen... (Wechselwirkungen, evtl. sogar Feynman-Diagramme usw.)

      "Reaktionen": o.k., da war mein Sprachgebrauch wohl etwas zu lässig. ;)

      LG,
      Björn
    • Hallo Björn,

      der Artikel, ich beziehe mich hier auf Post #10, zur Beantwortung der Frage ist sehr ambitioniert. Vielleicht ein wenig zu ambitioniert, denn es werden sehr viele Themen angerissen.
      Mir sind ein paar Dinge aufgefallen.


      Allgemein: Einheitliche Bezeichnungen

      Ganz allgemein sollten wir uns um eine einheitliche Terminologie bemühen. In diesem Artikel werden Gluonen, also Eichbosonen, "Bindeteilchen" genannt, im Artikel zur angeblichen "5. Kraft" heißen sie Kraftteilchen. Ich bevorzuge Kraftteilchen, da sie Wechselwirkungen vermitteln.


      "Strahlungsteilchen"

      Ein Quark aus dem einen Proton kann mit einem Anti-Quark aus dem anderen Proton zusammen treffen und die beiden können sich gegenseitig "annihilieren" [...] oder ein Myon und ein Anti-Myon, oder ein Tauon und ein Anti-Tauon, oder Neutrinos, oder ein positives und ein negatives W-Boson, ...
      In diesem Absatz liest es sich so, als wären Photonen, W-/Z--Bosonen, Gluonen und Higgs gleichartige "Strahlungsteilchen". Das empfinde ich als problematisch.


      E=mc^2

      Vielleicht sollte man zunächst anstelle der Formel von Energie- und Impulserhaltung sprechen, diese beiden sind v.a. Schülern sicher geläufiger und liefern hier die gleichwertige Aussage.


      Vorschlag

      Der Artikel erscheint mir als sehr komplex für einen Leser ohne Vorwissen. Das Bemühen um Verständlichkeit ist ihm deutlich anzumerken, er ist auch bei einem geringen Vorwissen über die Wechselwirkung von Elementarteilchen vermutlich gut verständlich. Jedoch hätte ich einen Änderungsvorschlag, den ich als fundamentaler für die Beantwortung der Frage ansehe und schon von Tobias Hartung weiter oben angesprochen wurde.

      Die Unschärferelation liefert die Aussage, dass es unmöglich ist den Zustand (hier gemeint im klassischen Sinne z.B. als gleichzeitiges Wissen über Ort und Impuls) eines Systems zu einem gegebenen Zeitpunkt exakt zu bestimmen. Allein dadurch ist es schon unmöglich das Ergebnis einer Messung exakt vorherzusagen; die Quantentheorie lässt keine deterministischen Aussagen zu. Damit kann man auch das Ergebnis eines Messprozesses statistisch deuten. Da dieses Prinzip bei Messungen an genügend kleinen Objekten, wie Protonen, zum Tragen kommt, trifft dies auch für Experimente mit ihnen zu.
      Anschließend könnte man den Messprozess vielleicht mit einer Analogie illustrieren, falls das nicht zu ungenau für diese Seite ist. Dieser Sachverhalt müsste natürlich besser verständlich formuliert werden, aber ich wollte zunächst die Aussage möglichst exakt treffen.

      Wie seht ihr das? Vielleicht könnte man den Aufbau von Protonen bzw. Hadronen, der im Artikel angerissen wird, allgemein in einem eigenen Artikel beschreiben, gerade da wir mit Bjoern einen Experten für QCD hier haben ;)
    • Hallo Peter,

      hm, irgendwie bin ich leider praktisch überall anderer Meinung als du. ;)

      Zu den Bezeichnungen: "Kraftteilchen" wäre prinzipiell nicht schlecht - aber die Teilchen vermitteln ja letztlich nicht (nur) Kräfte, sondern eben Wechselwirkungen, wie du selbst ja sagst, sie können ja auch zu Umwandlungen zwischen Teilchen führen. Korrekt wäre also "Wechselwirkungsteilchen" - bloss kann sich darunter keiner mehr etwas vorstellen... deswegen finde ich es eben besser, wenn man die Teilchen je nach Situation leicht anders benennt, damit jeweils heraus kommt, was denn nun jeweils ihre genaue Funktion ist. In einem zusätzlichen Lexikon oder so müsste man dann eben noch mal genauer erläutern, warum ein und dasselbe Teilchen verschiedene Funktionen erfüllen kann.

      "Strahlungsteilchen": hm, prinzipiell ist es halt so, dass die elementaren Fermionen Bausteine der Materie sind, Bosonen dagegen Bestandteile von Strahlung bzw. Wechselwirkungen (was letztlich auch wieder auf dasselbe rauskommt). Hast du einen besseren Vorschlag?

      Energie- und Impulserhaltung: ich sehe nicht, inwiefern die ohne E = mc^2 ausreichen sollen, um zu erklären, dass sich Teilchen ineinander umwandeln können...?

      statistische Deutung: klar ist die auch wichtig - aber wenn man erklärt, dass der Ausgang einer Kollision letztlich zufällig ist, sollte man doch auch angeben, welche Ergebnisse überhaupt möglich sind! Und das wiederum geht natürlich schlecht ohne einen Ausflug in die Substruktur von Protonen.

      Gruß,
      Björn

      P.S.: "Experte für QCD"? Danke für die Blumen - nur, weil ich auf dem Gebiet promoviert habe, bin ich noch lange kein Experte... ;)
    • Hallo Bjoern,

      danke für deine andere Meinung. Lass uns daran gehen eine daraus zu machen ;)

      Mit der Bezeichnung Strahlungs- bzw. Kraftteilchen meinte ich, dass man die Teilchen nach ihrer inneren Struktur ordnend bezeichnet. Die Spin 1 Bosonen eben als Kraft- oder Wechselwirkungsteilchen und das Higgsboson mit Spin 0 davon getrennt. Mir bereitete es im Studium in den Experimentalphysikbüchern immer erst einmal Kopfzerbrechen, wenn die Bezeichnung der vielen Teilchen uneinheitlich war. Vielleicht könnte man es zunächst auf die eine Art benennen und dann über den Namen auf die Bedeutung als "Bindeteilchen" hinweisen. Das ist aber mehr eine Detailfrage.

      Nichts desto trotz stecken sehr, sehr viele Informationen (Energie-Masse-Äquivalenz, Paarvernichtung, Seequarks, Gluon-Fusion, Strangeness) im Text. Der Vorschlag mit der statistischen Deutung zielt darauf ab, dass man vielleicht mit zunächst weniger Informationen die Frage grob beantworten kann und danach ins Detail zu gehen. In der Argumentationslinie also vom Allgemeinen zum Speziellen:

      Erhaltungssätze allein ergeben keinen eindeutigen Endzustand -> mehrere Möglichkeiten (statistisch verteilt) -> Wichtung durch Substruktur des Protons

      Damit könnte der Leser am Anfang sofort eine Antwort erhalten und diese beim Weiterlesen immer mehr vertiefen. Eigentlich stehen alle diese Informationen schon im Text, jedoch in einer anderen Reihenfolge. Für mich wirkte im Artikel die Substruktur des Protons fundamentaler als die Erhaltungssätze bzw. die statistische Deutung, dem wollte ich widersprechen. Wahrscheinlich gelang mir das in meinem Post nicht sehr gut...

      Zu E=mc^2: Du hast Recht, man muss zur Energie- und Impulserhaltung noch Lorentzinvarianz fordern, damit diese Relation sich ergibt. Das hatte ich vergessen. :S
    • Hallo Peter,
      Mit der Bezeichnung Strahlungs- bzw. Kraftteilchen meinte ich, dass man
      die Teilchen nach ihrer inneren Struktur ordnend bezeichnet. Die Spin 1
      Bosonen eben als Kraft- oder Wechselwirkungsteilchen und das Higgsboson
      mit Spin 0 davon getrennt.
      Mit "innerer Struktur" meinst du den Spin, oder wie soll ich das verstehen? Im übrigen: sind Higgs-Bosonen nicht auch Wechselwirkungsteilchen? Man kann zumindest Feynman-Diagramme konstruieren, in denen ein Teilchen ein (virtuelles) Higgs-Boson emittiert, welches dann von einem anderen Teilchen absorbiert wird. (und auf diese Weise müsste meiner Ansicht nach auch eine Kraft zwischen den Teilchen vermittelt werden!)

      Eigentlich stehen alle diese Informationen schon im Text, jedoch in
      einer anderen Reihenfolge. Für mich wirkte im Artikel die Substruktur
      des Protons fundamentaler als die Erhaltungssätze bzw. die statistische
      Deutung, dem wollte ich widersprechen.
      Die statistische Deutung und die Erhaltungssätze sind natürlich letztlich physikalisch fundamentaler - aber ist es für einen Laien nicht viel verständlicher, wenn man darauf hinweist, dass da eben ein buntes Wirrwarr von Teilchen aufeinander prallt (nicht nur zwei Protonen), und dass es deshalb zu so unterschiedlichen Ergebnissen kommen kann?


      Gruß,
      Björn
    • Moin,

      uffz, die Diskussion driftet ziemlich in spezielle Details ab *g*. Ich versuche mal, ein paar Kernpunkte herauszupicken...

      Zu E=mc²: Die Masse-Energie-Äquivalenz ist ein sehr fundamentaler Punkt, den wir hier auf jeden Fall näher erläutern sollten.
      Sie erklärt zwar nicht, warum VERSCHIEDENE Teilchen herauskommen können -
      aber sie erklärt, warum ÜBERHAUPT neue Teilchen entstehen können, die vorher gar nicht da waren, und warum diese schwerer sein können
      als die ursprünglichen Protonen!

      Mir ist es also wichtig, diesen Punkt zu betonen - am besten ziemlich an den Anfang zu stellen. Im nächsten Post (später heute nachmittag) schlage ich eine Formulierung für den Anfang vor.

      > dass da eben ein buntes Wirrwarr von Teilchen aufeinander prallt
      > (nicht nur zwei Protonen), und dass es deshalb zu so unterschiedlichen Ergebnissen kommen kann?

      Genau über diese Frage haben wir am CERN lang und breit diskutiert! Ich habe aus der Diskussion mitgenommen, dass
      das "Wirrwarr an Teilchen" - wenn überhaupt - ein untergeordneter Grund für die unterschiedlichen Ergebnisse ist.
      Denn die Energiedichte, um neue Teilchen zu erzeugen, wird nur dort groß genug, wo zwei Quarks bzw. Gluonen direkt aufeinander prallen.
      In der weit überwiegenden Zahl der Fälle treffen zwei Gluonen zusammen, danach folgen Up-Quark + Gluon und Down-Quark + Gluon.
      Dass ein Seequark an der Kollision direkt teilnimmt, ist äußerst selten.
      Von daher denke ich mal, dass die Erwähnung der Seequarks in diesem Artikel nicht unbedingt notwendig ist.

      Die Sache mit der Unschärfe aber schon, und die Erhaltungssätze auch...


      Einheitliche Bezeichnungen für die Kraft-/Binde-/Wechselwirkungsteilchen sind schon wichtig, verschiedene Begriffe verwirren mehr als sie helfen.
      Wir hatten die Diskussion doch schon mal bei einem Netzwerk-Meeting... aber was war dabei herauskommen? *such*
      Also, ich fasse mal die Argumente zusammen:
      - Wechselwirkungsteilchen: Wohl am "richtigsten", aber sehr lang und unanschaulich.
      - Kraftteilchen: Anschaulich, aber eben nicht ganz richtig...
      - Bindeteilchen: Hmm, das Wort habe ich in dem Zusammenhang noch nicht gelesen... ich denke, man braucht nichts neues zu erfinden.
      - Trägerteilchen: (steht z.B. im "Teilchen-Abenteuer") - Naja...nicht mein Fall.
      - Austauschteilchen: Ich finde das Wort am geeignetsten, denn die Materieteilchen "tauschen Teilchen aus", die die Wechselwirkungen vermitteln.
      Das Wort ist zugegebenermaßen auf den ersten Blick nicht ganz anschaulich, aber dazu gibt es ja schöne Grafiken: static.cosmiq.de/data/de/3e9/8…e85c40e97fc49e089f2_1.jpg

      Aber in diesem FAQ-Artikel kann man das Begriffsproblem wohl umgehen, siehe mein Textvorschlag im nächsten Post.
      Man sollte an geeigneterer Stelle aber durchaus darauf verweisen, dass es je nach Zusammenhang verschiedene Bezeichnungen gibt, hier ist eine kurze Erklärung: solstice.de/grundl_d_tph/sm_ww/sm_ww_02.html


      Zu Björns Post Nr. 10:"Ein Quark aus dem einen Proton kann mit einem Anti-Quark aus dem anderen Proton zusammen treffen ... außerdem muss man auch noch berücksichtigen, dass viele der neu entstandenen Teilchen dann ihrerseits auch wieder zerfallen und wiederum neue Teilchen erzeugen."

      Beispiele dafür, was entstehen kann, sind wohl schon nötig, aber das geht bestimmt auch etwas allgemeiner bzw. kürzer... *überleg*

      Viele Grüße,
      Manuela
    • Hallo Bjoern,


      mit innerer Struktur meine ich den Spin als inneren Freiheitsgrad, meine Formulierung war sehr unglücklich gewählt.

      Zur Bezeichnung "Wechselwirkungsteilchen" hatte ich in der Tat auch eine längere Diskussion mit meinem Bürokollegen. Es geht eigentlich nur um die Definition von Wechselwirkungsteilchen. Sie über Graphen, in denen sie als innere Teilchen auftreten können, zu definieren ist problematisch, denn in diesem Falle wäre durch Comptonstreuung auch das Elektron ein Wechselwirkungsteilchen.
      Für mich sind Wechselwirkungsteilchen im Standardmodell diejenigen, deren Kopplungen mit den Fermionen durch Eichinvarianz deren kinetischen Terms entstehen, also Spin 1 Teilchen. Das Higgs und seine Kopplungen mit den Fermionen werden einfach ad hoc eingeführt, daher neige ich dazu es anders zu bezeichnen.
      Im Text könnte man dem Rechnung tragen indem die nach einer Paarvernichtung anstatt von zurückbleibender Strahlung vom Zurückbleiben von Bosonen allgemein spricht, damit nimmt man auch die Gefahr, dass der Leser die Sorten in einen Topf wirft und in ihnen "radioaktive Strahlen" sieht.

      Was die statistische Deutung angeht, so ist sie wirklich schwierig zu vermitteln. Dennoch halte ich es für didaktisch sinnvoll zu vermitteln, dass der Energieerhaltungssatz auch in der Quantentheorie noch wichtig ist und alle Prozesse in der Natur beschreibt, sogar Teilprozesse, d.h. einzelne Graphen, die allein nie gemessen werden können. Das halte ich für extrem einleuchtend und spannend. Hier reicht zum Thema Statistik eine Erwähnung, dass die Häufigkeit der Endzustände statistisch verteilt ist, eigentlich aus.
      Die Beschreibung der Einzelprozesse hingegen verwirrte mich als Student anfangs der vielen verschiedenen, mir oft noch nicht bekannten Teilchen wegen. Trotzdem ist deren Beschreibung im Text eine Bereicherung, die sicher einiges an Interesse wecken wird. Ich würde sie aber später bringen.


      Grüße,

      Peter
    • Hallo Peter,
      Zur Bezeichnung "Wechselwirkungsteilchen" hatte ich in der Tat auch eine längere Diskussion mit meinem Bürokollegen. Es geht eigentlich nur um die Definition von Wechselwirkungsteilchen. Sie über Graphen, in denen sie als innere Teilchen auftreten können, zu definieren ist problematisch, denn in diesem Falle wäre durch Comptonstreuung auch das Elektron ein Wechselwirkungsteilchen.
      Für mich sind Wechselwirkungsteilchen im Standardmodell diejenigen, deren Kopplungen mit den Fermionen durch Eichinvarianz deren kinetischen Terms entstehen, also Spin 1 Teilchen. Das Higgs und seine Kopplungen mit den Fermionen werden einfach ad hoc eingeführt, daher neige ich dazu es anders zu bezeichnen.
      Hm, interessante Sichtweise (reichlich theoretisch - und dabei dachte ich immer, ich wäre hier der Theoretiker... ;) ). Ich hätte gesagt, Wechselwirkungsteilchen sind die Teilchen, welche eben (u.a.) Wechselwirkungen/Kräfte zwischen den elementaren Fermionen vermitteln. Da würde das Higgs dann mit dazu gehören...

      Im Text könnte man dem Rechnung tragen indem die nach einer Paarvernichtung anstatt von zurückbleibender Strahlung vom Zurückbleiben von Bosonen allgemein spricht, damit nimmt man auch die Gefahr, dass der Leser die Sorten in einen Topf wirft und in ihnen "radioaktive Strahlen" sieht.
      Gutes Argument - der Begriff "Strahlung" ist ja leider in der Tat inzwischen negativ besetzt... :(

      Was die statistische Deutung angeht, so ist sie wirklich schwierig zu vermitteln. Dennoch halte ich es für didaktisch sinnvoll zu vermitteln, dass der Energieerhaltungssatz auch in der Quantentheorie noch wichtig ist und alle Prozesse in der Natur beschreibt, sogar Teilprozesse, d.h. einzelne Graphen, die allein nie gemessen werden können. Das halte ich für extrem einleuchtend und spannend. Hier reicht zum Thema Statistik eine Erwähnung, dass die Häufigkeit der Endzustände statistisch verteilt ist, eigentlich aus.
      Hm, wie wär's damit: nach meinem ersten Absatz gleich den letzten Absatz bringen (da steht die statistische Deutung ja prinzipiell bringen), dann noch was zur Energieerhaltung, und dann erst den Rest von meinem Geschreibsel oben? (den man natürlich noch sinnvoll kürzen könnte/müsste)

      Gruß,
      Björn
    • Hallo Manuela,
      Zu E=mc²: Die Masse-Energie-Äquivalenz ist ein sehr fundamentaler Punkt, den wir hier auf jeden Fall näher erläutern sollten.
      Sie erklärt zwar nicht, warum VERSCHIEDENE Teilchen herauskommen können -
      aber sie erklärt, warum ÜBERHAUPT neue Teilchen entstehen können, die vorher gar nicht da waren, und warum diese schwerer sein können
      als die ursprünglichen Protonen!

      Mir ist es also wichtig, diesen Punkt zu betonen - am besten ziemlich an den Anfang zu stellen. Im nächsten Post (später heute nachmittag) schlage ich eine Formulierung für den Anfang vor.
      O.k., gutes Argument.

      Ich habe aus der Diskussion mitgenommen, dass
      das "Wirrwarr an Teilchen" - wenn überhaupt - ein untergeordneter Grund für die unterschiedlichen Ergebnisse ist.
      Denn die Energiedichte, um neue Teilchen zu erzeugen, wird nur dort groß genug, wo zwei Quarks bzw. Gluonen direkt aufeinander prallen.
      In der weit überwiegenden Zahl der Fälle treffen zwei Gluonen zusammen, danach folgen Up-Quark + Gluon und Down-Quark + Gluon.
      Dass ein Seequark an der Kollision direkt teilnimmt, ist äußerst selten.
      Danke, das war mir nicht klar! (soviel zum Thema "Experte für QCD..." ;) )
      Einheitliche Bezeichnungen für die Kraft-/Binde-/Wechselwirkungsteilchen sind schon wichtig, verschiedene Begriffe verwirren mehr als sie helfen.
      Wir hatten die Diskussion doch schon mal bei einem Netzwerk-Meeting... aber was war dabei herauskommen? *such*
      Also, ich fasse mal die Argumente zusammen:
      - Wechselwirkungsteilchen: Wohl am "richtigsten", aber sehr lang und unanschaulich.
      - Kraftteilchen: Anschaulich, aber eben nicht ganz richtig...
      - Bindeteilchen: Hmm, das Wort habe ich in dem Zusammenhang noch nicht gelesen... ich denke, man braucht nichts neues zu erfinden.
      - Trägerteilchen: (steht z.B. im "Teilchen-Abenteuer") - Naja...nicht mein Fall.
      - Austauschteilchen: Ich finde das Wort am geeignetsten, denn die Materieteilchen "tauschen Teilchen aus", die die Wechselwirkungen vermitteln.
      Mit "Austauschteilchen" wäre ich einverstanden. Jetzt müssen wir uns nur noch einigen, ob das Higgs da mit dazugehört oder nicht... ;) Du hast nicht zufällig am CERN dran gedacht, mal jemanden meine Frage zu stellen, ob ein Austausch von Higgsteilchen zwischen Fermionen auch zu einer Kraft zwischen diesen führt?


      Gruß,
      Björn