Teilchen und Stoßprozesse
Hi Florian
Kannst du mal erkläutern was man genau unter dem Zusammenstoß zweier Teilchen versteht ? … So wie es sich bei dir anhört hätte das nämlich überhaupt keine Ähnlichkeit mit z.B. dem Zusammenstoß von zwei Kugeln…
Das ist richtig - mit Billardkugelstößen hat das nicht die geringste Ähnlichkeit. Das einzige, was übereinstimmt in solch einem Vergleich ist die Erhaltung der Energiebilanz und der Impulssumme vor und nach dem Stoß.
Ich will das mal durch folgende Analogie erläutern: Wenn du einen Gegenstand visuell wahrnimmst, dann empängt dein Auge Photonen, die von einer Lichtwelle kommen und an der Oberfläche des Gegenstandes reflektiert werden. Wenn du dein Auge um den Gegenstand herumführst, kannst du somit die Oberflächenkontur des Objektes nach und nach erfassen. Du weißt hier allerdings eines: die Kontur des Objektes ist sicher unabhängig von der Farbe (= Wellenlänge oder Energie) des Lichtes, mit dem du es beleuchtest: Und genau das ist bei Elementarteilchen nicht mehr der Fall - abgesehen von anderen kuriosen Erscheinungen.
Der Gegenstand soll jetzt mal ein Tennisball sein und du hast kein Licht zur Verfügung. Du hast aber die Möglichkeit, den Ball mit Erbsen zu beschießen. Klar, daß beide Objekte nach der Kollision irgendwie wieder auseinanderfliegen. Vorausgesetzt du kennst einige Eigenschaften der Objekte (welche ist jetzt mal egal) und du hast einen Detektor, der seinerseits auf den Beschuß eines Tennisballes reagiert (seinen Impuls messen kann) und den du um den Ort des Stoßes herumführen kannst, dann kannst du aus der Winkelverteilung der „reflektierten“ Tennisbälle (ohne die Erbsen zu registrieren) die Konturen des Balles rechnerisch rekonstruieren (Trefferhäufigkeit gegen Winkel auftragen). Als „Bild“ eines Teilchenstoßes hättest du aber hier ein Problem, das bei Objekten der anschaulichen makrophysik so nicht auftritt: Diese Winkelverteilung würde sehr empfindlich von der Energie der Erbsen abhängen. Und das heißt: eine „objektive“ Kontur des Tennisballes gibt es gar nicht.
Das ist aber noch nichts gegen folgende Erscheinung: wenn du das Objekt statt mit Erbsen mit Bohnen oder mit Tischtennisbällen oder gar mit Tennisbällen derselben Art beschießt, werden jedesmal die Meßergebnisse eine völlig andere Kontur des Objektes zeigen. Und es kann sogar sein, daß statt eines Balles zweie plus ein Antiball aus dem Stoß herauskommen… oder ganz neue Objekte, die bisher bei dem Prozess gar nicht beteiligt waren…
Jetzt mal konkreter am relativ einfachen Beispiel eines Protons, das du mit Photonen beschießt:
γ = Photon
p = Proton
π = Pi-Meson (mit +, - , o = Ladung)
dann beobachtest du den Teilchenprozess:
γ + p → X + Y
wobei X und Y jetzt für verschiedene „final states“ stehen und die linke Seite den „initial state“ bedeutet.
Neben vielen anderen Möglichkeiten, die alle von der Energie des γ abhängen, kann es folgende Resultate geben:
- γ + p → γ + p
- γ + p → π0 + p
- γ + p → π+ + π- + p
- γ + p → π+ + π- + π0 + p
und viel andere Möglichkeiten. In den Fällen 2. - 4. ist das γ also verschwunden.
Außerdem (den Fall 2. mal herausgepickt) zeigt das p bei bestimmten Energien des γ plötzlich eine sprungartige extrem Veränderung seiner Kontur. Das kommt dann daher, daß es zwischen dem initial state und dem final state bestimmte „Zwischenzustände“ des Systems gab, d.h. daß kurzfristig (zwichen 10-10 und 10-16 sec) aus γ und p verschmolzene Teilchen existierten, die dann wieder zerfallen sind… so daß man den Prozess nun so schreibt:
γ + p → N(m) → π0 + p
Die N(m) nennt man „Resonanzen“, und es sind sog. „angeregte“ Zustände des Protons. Diese sind nicht beliebig, sondern haben wohlbestimmte Massen m und die ganzen „Spektren“ solcher Resonanzen sind inzwischen ziemlich gut bekannt. Es sind tatsächlich Teilchen, und daher kommt es unter anderem, daß die Liste der möglichen Teilchen mehrere hunderte solcher Objekte aufweist.
Noch komplizierter wird es, wenn man (z.B.) das Proton mit anderen Teilchen als mit Photonen beschießt: mit
p+ = Proton
p- = Antiproton
n0 = Neutron
e- = Elektron
e+ = Positron
νe = (Elektron)-Neutrino
- e- + p+
- e+ + p+
Das kann z.B. diese Reaktion ergeben:
e- + p+ → e- + e+ + n0 + νe + p+ + p- + p+ + p-
In solchen Prozessen kommen dann eben auch solche vor, bei denen man neue teilchen entdeckt, die man noch gar nicht kannte, oder man kann solche als existent nachweisen, die man vorher schon theoretisch „forderte“.
Bei dieser Reaktion:
- p+ + p- (Proton-Antiproton-Kollision)
können sogar hunderte „neuer“ Teilchen enstehen, unter anderem z.B. solche, die man noch verzweifelt sucht wie das berühmte Higgs-Teilchen…
Dies sind auch die Prozesse, mit denen man nachweisen konnte, daß Protonen und andere Hadronen aus Quarks bestehen. Man kann das aus der Verteilung der Stoßprodukte nachweisen.
Auch bei dieser Reaktion:
- e+ + e- (Elektron-Positron-Annihilisation)
können alle möglichen anderen Teilchen als Stoßprodukte auftreten. Es ist nur immer gefordert, daß bestimmte Erhaltungssätze eingehalten werden. Beliebig sind die Stoßresultate also keineswegs. Und es kommt immer darauf an, welche Wechselwirkungen zwischen den Teilchen überhaupt eine Rolle spielen können (starke, schwache, elektromagnetische WW)
Ich neige dazu ein Teilchen als eine Anhäufung von Eigenschaften
an einer bestimmten Stelle im Raum zu betrachten, ausgehend
von einem „Etwas“ das seine Position verändern kann und somit
im nächsten Moment an anderer Stelle im Raum wirkt…
Das ist richtig. Erstens werden Teilchenklassen überhaupt nur durch ihre Eigenschaften definiert (= sog. Quantenzahlen, Spin, Ladung, Masse, Parität, Bosonenzahl usw. usw…) und zweitens sind es „lokale“ Zustände im Raum, die sich unter Beibehaltung ihrer Identität durch den Raum bewegen können. Letzteres ist übrigens ebenfalls eine Symmetrieeigenschaft der Teilchen: nämlich die räumliche Translationsinvarianz.
…Also könnte man den Wirkungquerschnitt nicht als
Wirkungsreichweite eines Teilchens verstehen…?
Nein - eher als eine Art Wahrscheinlichkeit, sie bei einem Stoß auch zu treffen - mithin eine Eigenschaft, die man (mit starken Einschränkungen) auch als eine Art räumlicher Ausdehnung verstehen könnte.
Grüße
Metapher
. Kannst du mal erkläutern was man genau unter dem Zusammenstoß zweier Teilchen versteht ( z.B. zwei Elektronen )? So wie es sich bei dir anhört hätte das nämlich überhaupt keine Ähnlichkeit mit z.B. dem Zusammenstoß von zwei Kugeln ( was ich sehr einleuchtend finde ).