Fragen zur Teilchenphysik (experimentell)

05/12/2007 - 20:50 von Robert Grap | Report spam
Hallo Gruppe,

einige Dinge die bei uns in der Vorlesung besprochen wurden, verstehe ich
nicht ganz.

1. Wie sind solche Ausdrücke wie pi^0 = 1/sqrt(2) (d \bar d - u \bar u) zu
verstehen? Woraus besteht jetzt ein neutrales Pion? Wie addiert/subtrahiert
man Teilchen? Ich dachte Hadronen bestehen aus max. 3 Quarks? Der Dozent
argumentierte auf Nachfrage mit "Wellenfunktion", aber das habe ich nicht
ganz verstanden (ich weiß natürlich was eine ist, aber nicht was das in
diesem Zusammenhang damit zu tun hat).

2. Warum wurde ursprünglich die schwache Wechselwirkung postuliert? Ich lese
immer nur, sie wàre für den radioaktiven Zerfall verantwortlich. Warum
benötigt man für den Zerfall eine bis dato unbekannte Kraft? Wie wurde sie
letztendlich nachgewiesen? Und woher kennt man überhaupt die ganzen Massen
der einzelnen Quarks bzw. wie hat man sie experimentell nachgewiesen, wenn
diese wegen Confinement garnicht einzeln vorkommen?

3. Ich habe das Prinzip der Austauschteilchen nicht ganz verstanden. Wenn
zwei Teilchen wechselwirken, tauschen sie offenbar ein Teilchen aus.
Beispiel: Elektron und Positron nàhern sich an. Sie "spüren" stàndig die
stetig stàrker werdende Kraft. Wann wird wo ein Photon emittiert? Woher
weiß das Elektron bei Absorption des Photons, dass es angezogen und nicht
abgestoßen wird? Das Photon ist ja außerdem virtuell, was ich nicht ganz
verstehe und mich zu meiner nàchsten Frage bringt.

4. Was unterscheidet virtuelle von realen Teilchen? Gerade bei virtuellen
Austauschteilchen sagt man, die Reichweite sei von der Masse abhàngig
(Heisenbergsche Unschàrferelation, es kann sich die nötige Energie für
kurze Zeit "borgen"). Und da das Photon keine Masse hat, hat es unendliche
Reichweite, im Gegensatz zum Pion bspw. Aber das Photon hat doch dennoch
auch Energie, die irgendwo herkommen muss.



Wie ihr seht, Fragen über Fragen. Hoffentlich sind das jetzt keine
Standardfragen die in jedem Buch geklàrt werden. Ich konnte zumindest
nichts finden und Vorlesung wie Skript sind da nach meinem Empfinden viel
zu Oberflàchlich. Ich habe wahrscheinlich grundsàtzliche
Verstàndnisschwierigkeiten, was bei mir zur Zeit zu Frustrationen führt,
denn in einer Physikvorlesung sitzen und Fakten ohne Begründung schlucken
zu müssen - deswegen habe ich das Studium nicht angefangen. Die
Teilchenphysik mit ihrem ganzen Teilchenzoo wird mir immer befremdlicher.

Falls mir jemand etwas Licht ins Dunkle bringen kann, wàre ich àußerst
dankbar.

Robert
 

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#1 Andreas Most
06/12/2007 - 02:53 | Warnen spam
Robert Grap wrote:
Hallo Gruppe,

einige Dinge die bei uns in der Vorlesung besprochen wurden, verstehe ich
nicht ganz.

1. Wie sind solche Ausdrücke wie pi^0 = 1/sqrt(2) (d \bar d - u \bar u) zu
verstehen? Woraus besteht jetzt ein neutrales Pion? Wie addiert/subtrahiert
man Teilchen? Ich dachte Hadronen bestehen aus max. 3 Quarks? Der Dozent
argumentierte auf Nachfrage mit "Wellenfunktion", aber das habe ich nicht
ganz verstanden (ich weiß natürlich was eine ist, aber nicht was das in
diesem Zusammenhang damit zu tun hat).



Hier geht es um die Wellenfunktion des neutralen Pions.
Statt \psi_{pi°} wird einfach nur pi° geschrieben (Gleiches
gilt hier für die Wellenfunktionen von d un u). Das pi° ist
eine Superposition von einem Zustand aus d und \bar d und
einem Zustand aus u und \bar u. Das Minuszeichen ist wichtig.

2. Warum wurde ursprünglich die schwache Wechselwirkung postuliert? Ich lese
immer nur, sie wàre für den radioaktiven Zerfall verantwortlich. Warum
benötigt man für den Zerfall eine bis dato unbekannte Kraft? Wie wurde sie
letztendlich nachgewiesen?



Auch ein radioaktiver Zerfall passiert nicht einfach. Es muss eine
Wechselwirkung stattfinden. Insbesondere die Erzeugung von Neutrinos,
die nicht elektromagnetisch wechselwirken, erforderte die Existenz einer
neuen Kraft, nàmlich die schwache Kraft. Experimentell wurde die
schwache Wechselwirkung erstmals im Gargamelle Experiment am CERN
mit der Entdeckung des Z Bosons nachgewiesen.
http://de.wikipedia.org/wiki/Gargamelle

Und woher kennt man überhaupt die ganzen Massen
der einzelnen Quarks bzw. wie hat man sie experimentell nachgewiesen, wenn
diese wegen Confinement garnicht einzeln vorkommen?



Die Quarkmassen sind modellabhàngig. Üblicherweise gibt man sie für die
niedrigste Ordnung der QCD Störungstheorie bei Q² = 1 GeV an.
(Q² ist sowas wie der Impulsübertrag bei einem Streuprozess)

3. Ich habe das Prinzip der Austauschteilchen nicht ganz verstanden. Wenn
zwei Teilchen wechselwirken, tauschen sie offenbar ein Teilchen aus.
Beispiel: Elektron und Positron nàhern sich an. Sie "spüren" stàndig die
stetig stàrker werdende Kraft. Wann wird wo ein Photon emittiert? Woher
weiß das Elektron bei Absorption des Photons, dass es angezogen und nicht
abgestoßen wird? Das Photon ist ja außerdem virtuell, was ich nicht ganz
verstehe und mich zu meiner nàchsten Frage bringt.



Man sollte Feynmandiagramme nicht allzu wörtlich nehmen. Der Austausch
eines Teilchens symbolisiert den Austausch von Energie und Impuls unter
der gegebenen Wechselwirkung. Der Austausch nur eines Bosons entspricht
dabei der niedrigsten Ordnung der Störungstheorie. Vereinfachend kann
man sagen, dass der Wirkungsquerschnitt in einer Taylorreihe nach der
Kopplungskonstante entwickelt wird. Die niedrigste Ordnung erhàlt man,
wenn die Taylorreihe nach dem ersten Term abgebrochen wird.

4. Was unterscheidet virtuelle von realen Teilchen? Gerade bei virtuellen
Austauschteilchen sagt man, die Reichweite sei von der Masse abhàngig
(Heisenbergsche Unschàrferelation, es kann sich die nötige Energie für
kurze Zeit "borgen"). Und da das Photon keine Masse hat, hat es unendliche
Reichweite, im Gegensatz zum Pion bspw. Aber das Photon hat doch dennoch
auch Energie, die irgendwo herkommen muss.



Ein virtuelles Photon hat auch Masse, wobei sein Massequadrat sogar
kleiner als Null ist. Die Energie borgt es sich tatsàchlich über die
Unschàrferelation für kurze Zeit. Nach dem Ende der Wechselwirkung muss
die Energie- und Impulserhaltung natürlich wieder gewàhrleistet sein.

Wie ihr seht, Fragen über Fragen. Hoffentlich sind das jetzt keine
Standardfragen die in jedem Buch geklàrt werden.



Doch, das wird es. Zugegebenermaßen wird einem in der Teilchenphysik
vieles erst klarer, wenn man die QFT Vorlesung gehört hat.

Ich konnte zumindest
nichts finden und Vorlesung wie Skript sind da nach meinem Empfinden viel
zu Oberflàchlich. Ich habe wahrscheinlich grundsàtzliche
Verstàndnisschwierigkeiten, was bei mir zur Zeit zu Frustrationen führt,
denn in einer Physikvorlesung sitzen und Fakten ohne Begründung schlucken
zu müssen - deswegen habe ich das Studium nicht angefangen. Die
Teilchenphysik mit ihrem ganzen Teilchenzoo wird mir immer befremdlicher.



Um den Teilchenzoo zu verstehen genügt es eigentlich, die
SU(3) für die Quarkflavour verstanden zu haben.

Falls mir jemand etwas Licht ins Dunkle bringen kann, wàre ich àußerst
dankbar.



HTH,
Andreas.

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