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

    • > ..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.

      Hmm, ich glaube das würde einer genaueren Erläuterung bedürfen (Teilprozesse? Graphen? Hat das etwas mit der ursprünglichen Frage zu tun?)...

      > Hier reicht zum Thema Statistik eine Erwähnung, dass die Häufigkeit der Endzustände statistisch verteilt ist, eigentlich aus.

      Ok, hier könnte man kurz drauf eingehen, was "statistisch verteilt" heißt, oder von was die Häufigkeit/Wahrscheinlichkeit der Teilchenkombinationen abhängt.

      Viele Grüße,
      Manuela
    • > 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?

      Habe ich, bzw. jemand anders hat die Frage gestellt und ich stand dabei *g*
      Die Antwort war ziemlich mathematisch... hatte was mit dem Spin zu tun - hatte das nicht Peter auch geschrieben, mit Spin 1 vs. Spin 0? ...und dass die Austauschteilchen Vektorbosonen sind und das Higgs-Feld ein Skalarfeld.
      Zusammengefasst: nein, das Higgs-Feld ist was grundlegend anderes.

      LG Manuela
    • Hier kommt mein Textentwurf.

      "Warum kommt beim Zusammenstoß zweier Protonen nicht immer das Gleiche heraus?

      Das liegt daran, dass sich Protonen grundsätzlich anders verhalten als beispielsweise Billardkugeln.
      Man kann sich ein Proton eher als eine Wolke aus vielen kleineren unterschiedlichen Einzelteilen vorstellen, die sich wild durcheinander bewegen:
      Drei Quarks (zwei Up-Quarks und ein Down-Quark) sowie Gluonen, die für den Zusammenhalt der Quarks sorgen.

      (An dieser Stelle könnte man etwas über die Unschärferelation einfügen. Björns Formulierungkeins dieser Einzelteilchen im Proton hat einen festgelegten Ort, also könnte man selbst bei genauester Kenntnis des Aufbaus eines Protons nicht vorhersagen, welche Einzelteile wie zusammen stoßen werden“
      finde ich allerdings nicht ausreichend abgegrenzt zur klassischen Physik. Schließlich hat auch ein schnelles Auto keinen "festgelegten Ort",
      und man kann auch bei einem Autounfall wohl kaum vorhersagen, wie was genau zusammenstoßen wird.
      Gesucht wird also eine „quantenmechanischere“ Formulierung
      ;) )


      Wenn sich die Protonen nun wie Getreidesäcke verhielten, die beim Zusammenprall zerplatzen und ihren Inhalt in die Gegend verstreuen,
      hätte der Fragesteller recht: Dann müssten immer nur Quarks und Gluonen herauskommen.
      Aber in Wirklichkeit entstehen auch ganz neue Teilchen, die vorher nicht da waren: Elektronen, Neutrinos, W- und Z-Bosonen,
      und sogar Teilchen, die um ein Vielfaches schwerer sind als die ursprünglichen Protonen zusammen!

      Wie kann das sein? Dafür ist es wichtig zu verstehen, was Einstein einst mit der Formel E=mc^2 ausgedrückt hat:
      Masse ist eine Form von Energie
      , genau wie Wärmeenergie oder elektrische Energie.
      Ein Beispiel: In Kernkraftwerken verwandelt sich bei der Spaltung von Uran-Atomkernen ein Teil ihrer Masse in Wärmeenergie,
      die sich dann in elektrische Energie umwandelt.
      Das Umgekehrte passiert bei Teilchenkollisionen: Ein Teil der Bewegungsenergie der Teilchen verwandelt sich in Masse.

      Die Bewegungsenergie zweier kollidierender Protonen im LHC beträgt zusammen 7 Tera-Elektronvolt;
      wenn sie sich vollständig in Masse umwandeln würde, entspräche das rund 7000 Protonen!
      In Wirklichkeit wandelt sich nur ein Bruchteil der Bewegungsenergie in Masse um.
      Doch das genügt, um eine Vielzahl von Teilchen entstehen zu lassen, darunter manchmal auch schwere, exotische Teilchen,
      die Forscher natürlich besonders interessieren.

      Die Teilchen können jedoch nicht in beliebigen Kombinationen entstehen, sondern müssen bestimmten Erhaltungsgesetzen folgen:

      --> Energieerhaltung: Die Energie, die man hineinsteckt (in Form von Bewegungsenergie und Masse) muss nachher vollständig wieder herauskommen. Wenn etwas fehlt, ist das ein Hinweis dafür, dass ein Teilchen ungesehen durch die Detektoren „entwischt“ ist - das geschieht insbesondere bei Neutrinos.
      -->Impulserhaltung
      -->Ladungserhaltung: Man lässt zwei positive elektrische Ladungen (Protonen) kollidieren, also müssen die entstehenden Teilchen insgesamt auch zweifach positiv elektrisch geladen sein.
      --> Leptonenzahlerhaltung und einige mehr.

      (An dieser Stelle evtl Beispiele für mögliche Ergebnisse zusammenfassen; schwere Teilchen zerfallen wiederum in leichtere)

      Teilchenkollisionen sind „quantenmechanische“ Prozesse, (mehr zur statistischen Deutung an dieser Stelle?)
      das heißt, die Ergebnisse sind rein zufällig. Man kann lediglich Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Teilchenkombinationen vorhersagen,
      die so genannten „Wirkungsquerschnitte“.

      In den meisten Fällen wird in der Tat mehr oder weniger das Gleiche passieren – uninteressante Daten, die Computer gleich aussortieren.
      Doch manchmal entstehen eben auch exotische Teilchen, vielleicht sogar solche, die noch gänzlich unbekannt sind.
      So unwahrscheinlich solche Ergebnisse auch sein mögen: Mit der Anzahl der Experimente erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, sie zu beobachten."

      --------
    • Hallo Manuela und Bjoern,

      der letzte Textvorschlag ist sehr gut verständlich, viele schwierige Fragestellungen werden einfach und anschaulich beschrieben.

      > ..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.

      Hmm, ich glaube das würde einer genaueren Erläuterung bedürfen (Teilprozesse? Graphen? Hat das etwas mit der ursprünglichen Frage zu tun?)...
      Mit einzelnen Graphen meinte ich einzelne Prozesse, die zu einem bestimmten Endzustand beitragen, d.h. Teilprozesse, die Bjoern in seinem Artikel beschrieben hat. Damit wollte ich nur auf die Bedeutung der Energieerhaltung hinweisen, ohne diese direkt im Text zu erwähnen.

      (An dieser Stelle könnte man etwas über die Unschärferelation einfügen. Björns Formulierungkeins dieser Einzelteilchen im Proton hat einen festgelegten Ort, also könnte man selbst bei genauester Kenntnis des Aufbaus eines Protons nicht vorhersagen, welche Einzelteile wie zusammen stoßen werden“ [...])
      Teilchenkollisionen sind „quantenmechanische“ Prozesse, (mehr zur statistischen Deutung an dieser Stelle?) [...]
      Das reicht meiner Meinung schon zur statistischen Deutung. Ich wollte hinaus auf die Besonderheit der Vorhersagekraft einer Quantentheorie im Gegensatz zu einer klassischen Theorie. In der erstgenannten ist es nicht das Ziel, die Dynamik einzelner "Teilchen" vorher zu sagen, sondern die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von bestimmten Messwerten. Das ist auch schon eine Folge der Unschärferelation.

      (An dieser Stelle evtl Beispiele für mögliche Ergebnisse zusammenfassen; schwere Teilchen zerfallen wiederum in leichtere)
      Hier würde ich lieber einen Dynamischen Prozess, einen Stoß, zur Beschreibung nutzen. Sidney Coleman hatte ein einfaches Beispiel, das wir grob übernehmenn könnten. Vielleicht lieber mit Protonen anstatt Pionen.
      Zu finden ist das Beispiel hier bei Zeitindex 5:10 .

      So unwahrscheinlich solche Ergebnisse auch sein mögen: Mit der Anzahl der Experimente erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, sie zu beobachten."
      Die vorher erwähnte Wahrscheinlichkeit bleibt gleich, unabhängig von der Zahl der Experimente. Besser wäre ein Ausdruck wie: "mit einer genügend großen Anzahl an Experimenten sollten auch diese nachweisbar sein."

      Grüße,

      Peter
    • Hallo Manuela,

      Die Antwort war ziemlich mathematisch... hatte was mit dem Spin zu tun - hatte das nicht Peter auch geschrieben, mit Spin 1 vs. Spin 0? ...und dass die Austauschteilchen Vektorbosonen sind und das Higgs-Feld ein Skalarfeld.
      Zusammengefasst: nein, das Higgs-Feld ist was grundlegend anderes.
      Dass das Higgs-Boson ein skalares Teilchen ist und kein Vektorboson, und deshalb mathematisch anders behandelt wird als z. B. Photonen, weiss ich auch. Aber trotzdem sollte es IMO eine Kraft vermitteln können. Unterstützt wird das übrigens auch vom Buch "Introduction to Quantum Field Theory" von Peskin&Schröder; da findet sich auf S. 126 eine Tabelle, in der unter anderem steht, dass der Austausch von skalaren Teilchen zu einer anziehenden Wechselwirkung zwischen Fermionen führt... (ausführlich vorgerechnet wird das auf den S. 121-123; da geht es zwar eigentlich um das Yukawa-Potential, das durch Austausch von Pionen entsteht, aber die mathematische Behandlung sollte beim Higgs prinzipiell dieselbe sein - die Feynman-Diagramme sind jedenfalls dieselben!).

      Gruß,
      Björn
    • Mein Senf zum neuen Textentwurf ;-)

      Hallo Manuela,

      Prinzipiell finde ich den Text ganz gut, daher nur einige kleine Anmerkungen.
      (An dieser Stelle könnte man etwas über die Unschärferelation einfügen. Björns Formulierungkeins dieser Einzelteilchen im Proton hat einen festgelegten Ort, also könnte man selbst bei genauester Kenntnis des Aufbaus eines Protons nicht vorhersagen, welche Einzelteile wie zusammen stoßen werden“
      finde ich allerdings nicht ausreichend abgegrenzt zur klassischen Physik. Schließlich hat auch ein schnelles Auto keinen "festgelegten Ort",
      und man kann auch bei einem Autounfall wohl kaum vorhersagen, wie was genau zusammenstoßen wird.
      Gesucht wird also eine „quantenmechanischere“ Formulierung
      ;) )
      Hm, wie wär's mit "zu keiner Zeit einen festgelegten Ort" oder "keine feste Bahn"? (und übrigens könnte man bei einem Autounfall, vorausgesetzt, der innere Aufbau der Autos wäre wirklich exakt bekannt, prinzipiell vorhersagen, wie der Zusammenprall genau abläuft)

      Ein Beispiel: In Kernkraftwerken verwandelt sich bei der Spaltung von Uran-Atomkernen ein Teil ihrer Masse in Wärmeenergie,
      die sich dann in elektrische Energie umwandelt.
      Hier vielleicht besser: "die dann in elektrische Energie umgewandelt wird." ?

      Doch das genügt, um eine Vielzahl von Teilchen entstehen zu lassen, darunter manchmal auch schwere, exotische Teilchen,
      die Forscher natürlich besonders interessieren.
      Hier vielleicht einige Beispiele?

      --> Leptonenzahlerhaltung und einige mehr.
      Warum ausgerechnet die Leptonenzahlerhaltung hier erwähnen? Gerade die ist hier erst mal nicht so relevant - schließlich ist die Leptonenzahl am Anfang Null... ;) Vorschlag: entweder hier überhaupt keinen zusätzlichen Erhaltungssatz explizit erwähnen, oder wenn doch einen, dann vielleicht eher die Strangeness...

      Man kann lediglich Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Teilchenkombinationen vorhersagen, die so genannten „Wirkungsquerschnitte“.
      Ist es nötig, den Begriff Wirkungsquerschnitte zu erwähnen? Verwirrt das nicht eher?


      So, ich bin die nächsten paar Tage nicht im Lande - also viel Spass euch beiden dabei, den neuen Text solange weiter zu debattieren... ;)

      Gruß,
      Björn
    • Peter Drechsel schrieb:

      "Die vorher erwähnte Wahrscheinlichkeit bleibt gleich, unabhängig von der Zahl der Experimente."

      Ich meinte: Die Wahrscheinlichkeit, z.B. 4 exotische Ereignisse pro Monat zu messen (oder so), erhöht sich sehr wohl, wenn man die Kollisionen pro Sekunde erhöht... aber

      "Hier würde ich lieber einen Dynamischen Prozess, einen Stoß, zur Beschreibung nutzen. Sidney Coleman hatte ein einfaches Beispiel, das wir grob übernehmenn könnten. Vielleicht lieber mit Protonen anstatt Pionen. Zu finden ist das Beispiel hier bei Zeitindex 5:10 ."

      An der Stelle spricht er von Paarbildung... bin nicht sicher ob das in den Zusammenhang passt.

      Gleich kommt noch ein kurzvorweihnachtlicher Textvorschlag, jetzt hoffentlich fertig :)

      Viele Grüße,
      Manuela
    • Was geschieht bei einem Protonen-Zusammenstoß? Warum kommt dabei nicht immer das Gleiche heraus?

      Protonen verhalten sich bei Kollisionen grundsätzlich anders als beispielsweise Billardkugeln.
      Man kann sich ein Proton eher als eine Wolke aus vielen kleineren unterschiedlichen Einzelteilen vorstellen, die sich wild durcheinander bewegen:
      Drei Quarks (zwei Up-Quarks und ein Down-Quark) sowie Gluonen, die für den Zusammenhalt der Quarks sorgen.

      Wenn sich die Protonen nun wie Getreidesäcke verhielten, die beim Zusammenprall zerplatzen und ihren Inhalt in die Gegend verstreuen, müssten in der Tat immer nur Quarks und Gluonen herauskommen. Aber in Wirklichkeit entstehen auch ganz neue Teilchen, die vorher nicht da waren: Elektronen, Neutrinos, und sogar Teilchen, die um ein Vielfaches schwerer sind als die ursprünglichen Protonen zusammen!

      Wie kann das sein? Dafür ist es wichtig zu verstehen, was Einstein einst mit der Formel E=mc² ausgedrückt hat: Masse ist eine Form von Energie, genau wie Wärmeenergie oder elektrische Energie.
      Ein Beispiel: In Kernkraftwerken verwandelt sich bei der Spaltung von Uran-Atomkernen ein Teil ihrer Masse in Wärmeenergie, die dann in elektrische Energie umgewandelt wird.
      Das Umgekehrte passiert bei Teilchenkollisionen: Ein Teil der Bewegungsenergie der Teilchen verwandelt sich in Masse.

      Die Bewegungsenergie zweier kollidierender Protonen im LHC beträgt zusammen 7 Tera-Elektronvolt; wenn diese sich vollständig in Masse umwandeln würde, entspräche das rund 7000 Protonen!
      In Wirklichkeit wandelt sich nur ein Bruchteil der Bewegungsenergie in Masse um. Doch das genügt, um eine Vielzahl von Teilchen entstehen zu lassen, darunter manchmal auch schwere Teilchen wie beispielsweise W- und Z-Bosonen, und vielleicht auch das Higgs-Boson , nach dem Forscher seit Jahren suchen.

      Solche massereichen Teilchen „leben“ allerdings nicht lange genug, um in die Detektoren zu gelangen, sondern zerfallen sofort wieder in andere Teilchen. Wenn man dann bestimmte Teilchenkombinationen im Detektor nachweist, kann man daraus schließen, welche Masse das ursprünglich zerfallene Teilchen hatte, und um was es sich wahrscheinlich handelte.

      Welche Teilchen bei einer bestimmten Kollision entstehen, und wie sie jeweils wieder zerfallen, ist reiner Zufall. Man kann nur Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Teilchenkombinationen angeben. Zum Glück können die Teilchen nicht in beliebigen Kombinationen entstehen und zerfallen, sondern müssen bestimmten Erhaltungsgesetzen folgen:

      --> Energieerhaltung: Die Energie, die man hineinsteckt (in Form von Bewegungsenergie und Masse) muss nachher vollständig wieder herauskommen. Wenn etwas fehlt, ist das ein Hinweis dafür, dass ein Teilchen ungesehen durch die Detektoren „entwischt“ ist - das geschieht insbesondere bei Neutrinos.
      --> Ladungserhaltung: Man lässt im LHC zwei positive elektrische Ladungen (Protonen) zusammenstoßen, also müssen die entstehenden Teilchen insgesamt auch zweifach positiv elektrisch geladen sein.
      … und einige andere Erhaltungssätze.

      Bei den meisten Kollisionen wird in der Tat mehr oder weniger das Gleiche geschehen – uninteressante Daten, die Computer gleich aussortieren.
      Doch manchmal entstehen eben auch exotische Teilchen, vielleicht sogar solche, die bisher noch unbekannt sind! Forscher suchen am LHC beispielsweise nach dem Higgs-Boson, „supersymmetrischen“ Teilchen, oder solchen, aus denen die geheimnisvolle Dunkle Materie bestehen könnte.
    • Hallo Manuela,

      grundsätzlich gut :) - aber einige Kleinigkeiten noch, die mich etwas stören...

      * Drei Quarks? die Seequarks lassen wir einfach mal unter den Tisch fallen, obwohl sie einen Großteil der Masse des Protons ausmachen? Gut, es ist nicht notwendig, die Seequarks zu kennen, um die Antwort auf die Frage hier zu verstehen - aber genausogut könnte man auch sagen, um die Frage hier zu verstehen, muss man auch nicht wissen, dass es drei Quarks sind, dass es zwei up- und ein down-quark ist usw.

      * Beim Beispiel zur Energieumwandlung evtl. noch ein bisschen klarer machen, *für was* es ein Beispiel ist - ich bin beim Drüberlesen an der Stelle kurz gestolpert und habe mich gefragt: "Was soll mir das jetzt sagen?" Könnte natürlich auch an mir liegen. ;)

      * "...welche Masse das ursprünglich zerfallene Teilchen hatte, und um was es sich wahrscheinlich handelte."
      Evtl. im letzten Teilsatz noch ein "daraus" einfügen...

      * "
      supersymmetrischen“ Teilchen, oder solchen, aus denen die geheimnisvolle Dunkle Materie bestehen könnte."
      Etwas unglücklich formuliert - nicht die Teilchen selbst sind supersymmetrisch, sondern die Supersymmetrie besteht zwischen diesen Teilchen und den "normalen" Teilchen. Eine bessere (kurze!) Formulierung fällt mir leider aber gerade auch nicht ein... Zweitens: das "oder" ist auch eher unpassend hier - schliesslich sind genau diese Teilchen ein "heisser" Kandidat für die Dunkle Materie!

      Vielleicht so: "...Teilchen, die von sogenannten supersymmetrischen Theorien vorhergesagt werden, und aus denen auch die geheimnisvolle Dunkle Materie bestehen könnte." ?

      Gruß,
      Björn