Der Teilchenbeschleuniger LHC macht noch Pause. Seit Dezember 2012 ist er abgeschaltet, damit er gründlich gewartet und erweitert kann. Aber im März wird er wieder eingeschaltet und dann soll er auch mit voller Stärke laufen. Kollisionen zwischen Teilchen werden dort bei Energien stattfinden, die bis jetzt noch in keinem Beschleuniger erreicht wurden (und nein, das ist nicht gefährlich). Die Wissenschaftler erhoffen sich, nun endlich auch etwas wirklich Neues zu finden. Mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens hat man das Pflichtprogramm ja schon erfolgreich absolviert und die dafür zu erwartenden Nobelpreise bekommen. Aber der LHC ist mehr als nur eine “Higgs-Maschine”. Die riesige Maschine wurde ja nicht nur gebaut, um die bestehenden Vorhersagen zu bestätigen, sondern komplett neue Phänomene zu entdecken. Zum Beispiel angeregte Quarks: Sie wären ein Hinweis auf die Existenz neuer Elementarteilchen!

Bis jetzt geht man davon aus, dass Quarks fundamentale Bausteine der Materie sind. Jedes Atom hat einen Atomkern aus Protonen und Neutronen und jedes Proton oder Neutron besteht aus drei Quarks. Darunter kommt nichts mehr – zumindest nichts, von dem die Wissenschaftler wissen. Es wäre natürlich möglich, dass auch die Quarks selbst wieder nur aus anderen Teilchen zusammengesetzt sind. Und wenn das so ist, könnte das schon bald am LHC nachgewiesen werden.

Die dafür vorgesehene Methode hat mit der Anregung von Teilchen zu tun. Bei den normalen Atomen ist das ein gut verstandener Vorgang. Trifft Licht mit der richtigen Energie auf die Elektronen in der Hülle eines Atoms, dann können die Energie aufnehmen und werden angeregt. Sie werden – im klassischen Bild – auf einen höheren Orbit gehoben. Dort bleiben sie aber nicht für immer, sondern geben die aufgenommene Energie irgendwann wieder ab um in den Grundzustand zurück zu kehren. Das Elektron sendet die Photonen wieder aus und leuchtet. Viele natürliche und künstliche Lichtquellen funktionieren nach genau diesem Prinzip. Aber nur, weil das Atom eben zusammengesetzt und da etwas ist, das angeregt werden kann.

Ist auch das Quark kein fundamentales Teilchen, muss es sich auch anregen lassen. Nicht mit Photonen, aber mit Gluonen, den Teilchen, die für den Zusammenhalt der Quarks sorgen, damit sie Protonen und Neutronen bilden können. Im LHC kollidieren Protonen miteinander. Protonen, die aus drei Quarks bestehen und von Gluonen zusammengehalten werden. Findet diese Kollision bei der richtigen Energie statt (und ist das Quark zusammengesetzt), dann kann ein hypothetischer Bestandteil des Quarks durch das Gluon angeregt werden. Es wird dann natürlich auch wieder in den Grundzustand übergeben. Das zuvor aufgenommene Gluon wird wieder ausgestrahlt und Quark und Gluon machen sich in unterschiedliche Richtungen davon. Es entsteht ein sogenannter “Dijet”, also zwei Teilchenspuren, die in entgegengesetze Richtungen führen.

Ein Beispiel für einen Dijet (Bild: ATLAS, CERN)

Ein Beispiel für einen Dijet (Bild: ATLAS, CERN)

Dieser Effekt würde sich mit den Detektoren des LHC nachweisen und auf die Existenz angeregter Quarks zurückführen lassen. Wenn die Quarks tatsächlich keine fundamentalen Teilchen sind, könnte das relativ bald nach Inbetriebnahme des renovierten Beschleunigers festgestellt werden. Oder vielleicht auch nicht. Vielleicht sind die Quarks ja auch fundamental. Aber dann wird der LHC mit Sicherheit etwas anderes finden, von dem wir noch nicht wissen. Bis jetzt hat uns die Natur noch immer überrascht, wenn wir sie auf eine neue Weise betrachtet haben…

(via Quantum Diaries)

Kommentare (43)

  1. #1 Dan
    ^
    12. Februar 2015

    “Aber im März wird er wieder eingeschaltet und dann soll er auch mit voller Stärke laufen.”

    Soweit ich weiß, wird er mit nur 13 TeV statt 14 TeV laufen, da es sehr schwer ist, den letzten TeV zu erreichen und sie ihn deswegen schon einmal bei 13 TeV laufen lassen.. (Quelle: Postdoc am MPP)

  2. #2 Martin Moder
    12. Februar 2015

    Ziemlich cool!
    Wenn sie etwas finden kommen die Medien hoffentlich nicht wieder mit “Gottesteilchen” daher und verwirren alle 🙂

  3. #3 ThomasA
    12. Februar 2015

    Nein die Headlines lauten dann bestimmt:
    Teilchenmodell falsch! Wissenschafter entdecken neue Physik!
    😛

    Danke für den Beitrag, warte schon gespannt auf die neuen Experimente

  4. #4 Franz
    12. Februar 2015

    Wobei ich mich manchmal frage, ob man nicht langsam schon dabei ist, selbst geschaffene Phantome zu jagen.

  5. #5 nur Consuela
    12. Februar 2015

    @ Franz

    Man weiß etwas nicht, also sieht man nach. Wo genau ist da jetzt das selbstgeschaffene Phantom?

  6. #6 Florian Freistetter
    12. Februar 2015

    @Franz: “Wobei ich mich manchmal frage, ob man nicht langsam schon dabei ist, selbst geschaffene Phantome zu jagen.”

    Das musst du jetzt mal genauer erklären. Was genau sind hier “Phantome”? Das, was am LHC passiert, nennt sich “Grundlagenforschung”. Man will mehr darüber herausfinden, wie die Welt funktioniert. Eine Struktur der Quarks ist eines der vielen Phänomene, auf die man stoßen könnte. Oder auch nicht. Im Gegensatz zum Higgs-Teilchen gehts hier nicht um Vorhersagen, auf denen die Standardtheorien basieren und die man bestätigen will. Das Standardmodell funktioniert genau so, wenn die Quarks elementar sind. Aber die Wissenschaftler überlegen sich halt schon vorher was man alles vielleicht entdecken könnte und wie man diese Entdeckungen erkennen könnte. Wo ist da das Problem?

  7. #7 Jens
    12. Februar 2015

    @FF: Wieso können Quarks nicht mit Photonen angeregt werden, mit nem Laserstrahl zum Beispiel?

  8. #8 Steppl
    12. Februar 2015

    @Jens
    Mit Licht kann man die Atomhüllen anregen, für die Kerne braucht es dann schon die deutlich energiereichere Gammastrahlung. Bei Quarks läge der Anspruch noch ein paar Etagen höher. Entsprechend energiereiche Photonen oder Elektronen (sind die elementar?) würden wohl auch reichen, aber woher nehmen? Laser sind da schon lange aus dem Geschäft.

  9. #9 krypto
    12. Februar 2015

    Wahrscheinlich würde es bei dem Energieniveau, wenn man es denn elektromagnetisch erreichen könnte, unerwünschte Materiebildung geben.
    Aber @Jens: Photonen sind die Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, während Gluonen diejenigen der starken WW sind.

  10. #10 JaJoHa
    12. Februar 2015

    @Jens
    Photonen aus einem Laser sind üblicherweise viel zu energiearm. Wenn du UV hast, dann bekommst du Photonenenergien von irgendwas mit 100 eV. Aber man hat bereits bis auf mehrere TeV getestet und keine Substruktur gefunden (Particle Data Group).
    So energiereiche Photonen sind schwer zu beschaffen und schlecht zu handhaben. Wenn man die über Bremsstrahlung erzeugen will, dann braucht man einen Teilchenstrahl mit mindestens dieser Energie und die Ausbeute ist gering.
    Da ist es besser, direkt die beschleunigten Teilchen zu benutzen.

  11. #11 Siskin
    12. Februar 2015

    @FF @nur Consuela:
    Naja … so einfach kann ma das mit den selbstgeschaffenen Phantomen ja nicht abtun … es ist vielleicht etwas zu salopp formuliert, aber – im Grunde ist es doch so:
    Es werden Unmengen an Energie in sehr kleine Teilchen gesteckt, die sich dann auflösen und sich samt der Energie in Teils neuen Strukturen manifestieren.
    Das wirkt durchaus so, als würden hier Teilchen aus dem “Nichts” erschaffen. Oder auch, als würde man mit so energiereichen Taschenlampen auf die Grundsubstanz des Universums leuchten, dass man damit sogar Löcher in die Raum-Zeit-Matrix brennen kann (schwarze Löcher erzeugen war ja auch so ein Ziel des LHC 😉 )

  12. #12 Franz
    12. Februar 2015

    @FF
    Ich sehe primär kein Problem bei Grundlagenforschung und ich verfolge die Ergebnisse des LHC mit großem Interesse, aber mich beschleicht halt manchmal das Gefühl, dass sich da jemand etwas ausdenkt was möglich sein könnte und sich dann von ein paar Milliarden Zerfallsprozessen genau den aussucht, der am besten passt. Frei nach der texanischen Methode.

    Vielleicht erscheint das auch ein bisschen verzerrt durch die Tatsache, dass man scheinbar immer etwas findet das passt, weil die negativen Erkenntnisse kaum publiziert werden (oder weil vorher gründlich nachgedacht wird).

  13. #13 Andreas P
    12. Februar 2015

    Ich finde die Vorstellung, daß der Kaninchenbau noch etwas tiefer runter gehen könnte (und womöglich unendlich tief ist), etwas beunruhigend

  14. #14 krypto
    12. Februar 2015

    @Franz:
    Google doch mal nach “Entdeckung und Sigma”…
    So gab es recht früh bei der Suche nach dem Higgs-Teilchen Anhaltspunkte, aber man hatte noch nicht ausreichend viele(Abermillionen) Kollisionen durchgeführt, um die nötige Signifikanz zu erreichen.
    Insofern ist es tatsächlich genau umgekehrt zu Deiner Vermutung 😉

  15. #15 Florian Freistetter
    12. Februar 2015

    @Franz: “aber mich beschleicht halt manchmal das Gefühl, dass sich da jemand etwas ausdenkt was möglich sein könnte und sich dann von ein paar Milliarden Zerfallsprozessen genau den aussucht, der am besten passt. Frei nach der texanischen Methode.”

    Ähm nein. Gerade die Vorhersagen der Teilchenphysik sind EXTREM genau und spezifisch. Es geht hier nicht um “ausdenken”. Man wird jede Menge Teilchenkollisionen beobachten. Man wird vorhersagen – und das sehr genau! – wie diese Kollisionen aussehen sollen, wenn das aktuelle Standardmodell tatsächlich ALLE stattfindenden Phänomene erklärt. Und dann wird man schauen, ob es Abweichungen zwischen Beobachtung und Vorhersage gibt. Wenn die auftreten, ist das ein Zeichen für “neue Physik”; d.h. bisher unbekannte Teilchen o.ä. Eines dieser neuen Phänomene wäre eine Substruktur der Quarks und über dieses eine neue Phänomen habe ich heute geschrieben. Das heißt nicht, dass das das einzige ist, nach dem die Physiker suchen… Nur eines der vielen Phänomene, von denen man vermutet, dass sie eventuell auftreten können.

    Wie sollte denn die Teilchenphysik deiner Meinung nach forschen, damit es “besser” läuft?

  16. #16 Florian Freistetter
    12. Februar 2015
  17. #17 McPomm
    12. Februar 2015

    Spannend finde ich auch, dass Elektronen auch nicht ganz so fundamentalteilchenmäßig zu sein scheinen. Letztens in einer US-TV-Dokumentation auf servus.tv wurde gezeigt, dass daran in den letzten Jahren verstärkt geforscht wird. Und Deutschland scheint führend dabei zu sein: der Jeroen van den Brink vom IFW Dresden kam zu Wort und hat die Forschung an den Quasiteilchen des Elektrons erklärt.

    https://www.ifw-dresden.de/de/institute/itf/

    http://www.nature.com/news/not-quite-so-elementary-my-dear-electron-1.10471

    Aber das LHC schießt ja Hadronen und nicht Leptonen aufeinander, so dass natürlich eventuelle Bestandteile oder innere Eigenschaften von Elektronen und Myonen da kaum eine Rolle spielen dürften. Nicht umsonst sind die Rufe nach dem Bau von Linearbeschleunigern für Elektronen so laut.

  18. #18 tobalt
    12. Februar 2015

    Mcpomm. Die links von dir haben nichz die andeutung dass elektronen keine elementarteilchen sind. Das ifw an dem auch ich arbeite ist ein Festkörper institut. Es geht hier zu 99.9% um die quantenelektrodynamik. Also die theorie des standardmodells gegen die es am wenigsten widersprüchliche gibt.. Die dabei oft eingeführten quasiteilchen sind keine teilchen sondern abstrakte zustände vom kollektiven festkörperprozessen. Solche quasiteilchen können auch majorana fermionen sein oder masselose elektronen und und und.

  19. #19 Jens
    12. Februar 2015

    http://www.spektrum.de/news/tischbeschleuniger-bricht-weltrekord/1322643

    Kleine Plasmabeschleuniger erreichen offenbar höheren Energieradiant als LHC.

  20. #20 JaJoHa
    12. Februar 2015

    @Jens
    Da muss man aufpassen: Da wurden 4,5 GeV erreicht, der LHC bringt es auf 10.000 GeV (demnächst sogar 14 TeV).
    Das ist der Unterschied zwischen Beschleunigung (\dot{E} oder \dot{p}, ist bei dem LHC kleiner) und Endgeschwindigkeit/Endenergie (ist beim LHC sehr groß).
    Für die Kollisionen kommt es vorallem auf die Energie an.

  21. #21 Steffmann
    12. Februar 2015

    Die headline ist auch etwas irretierend, Florian. Geht zumindest mir so. Nach dem Nachweis des Higgs-Boson ist doch die Frage, ob diese Teilchen elemantar sind oder nicht, eigentlich geklärt.

  22. #22 Krypto
    12. Februar 2015

    @Steffmann:
    Wie kommst Du darauf?

  23. #23 Steffmann
    12. Februar 2015

    @Krypto:

  24. #24 Steffmann
    12. Februar 2015

    Sorry. Ich verstehe deine Frage nicht. Quarks existieren und sind nachgewiesen. Meine Anmerkung bezog sich nur auf die missverständliche headline, die Raum für Interprationenen liess.

  25. #25 Florian Freistetter
    12. Februar 2015

    @Steffmann: “Nach dem Nachweis des Higgs-Boson ist doch die Frage, ob diese Teilchen elemantar sind oder nicht, eigentlich geklärt.”

    ?? Das eine hat mit dem anderen doch nichts zu tun?

  26. #26 Florian Freistetter
    12. Februar 2015

    @Steffmann: “Quarks existieren und sind nachgewiesen. Meine Anmerkung bezog sich nur auf die missverständliche headline, die Raum für Interprationenen liess.”

    Auch das verstehe ich nicht. Wenn Quarks elementar sind, sind sie nicht zusammengesetzt. Wenn sie nicht elementar sind, dann sind sie aus noch unbekannten Teilchen zusammengesetzt. Was davon zutrifft, wissen wir nicht. Die Frage: “Sind Quarks elementar?” ist daher völlig sinnvoll undnoch dazu sehr interessant (und mit dem Higgs hat das nix zu tun).

  27. #27 PDP10
    12. Februar 2015

    @Steffmann:

    Ich verstehe auch nicht so ganz, was du meinst …

    Die Frage, die die Überschrift stellt, ist nicht: “existieren Quarks?”, sondern: “Sind Quarks elementar?”, also nicht aus anderen Teilchen zusammengesetzt.

    Das Quarks elementar sind, ist Stand der Forschung – bis jetzt.

    Soweit ich das verstanden habe, lässt die Theorie aber auch zu, dass sie das nicht sind.

    Wenn man sie bei den neuen Experimenten mit dem LHC in “angeregte” Zustände versetzen könnte, könnte das bedeuten, dass sie das nicht sind (weil sie dann aus Einzelteilen bestehen müssten, die sich anregen lassen) …

  28. #28 Carsten
    13. Februar 2015

    Ich fände ja die Vorstellung ganz interessant, daß die Welt wie ein Fraktal aufgebaut ist, und egal wie tief man in die Materie-Teilchen hineinschaut, wird man immer wieder eine neue, noch kleinere Struktur entdecken, ohne daß man jemals *das* Elementarteilchen finden wird.

  29. #29 Higgs-Teilchen
    13. Februar 2015

    @all:
    Die meiner Meinung nach beste Erklärung für Quarks:

    https://m.youtube.com/watch?v=U0kXkWXSXRA

    Lg H.

  30. #30 Franz
    13. Februar 2015

    @krypto
    Guter Einwand, vielleicht bin ich ja nur auf der Suche nach Argumenten wenn mir wieder mal jemand entgegenwirft: ‘Die finden immer was sie suchen’ und ich geneigt bin zuzustimmen 🙂

  31. #31 Alderamin
    13. Februar 2015

    @Franz

    SuSy-Teilchen haben sie noch nicht gefunden…

  32. #32 SonnenKlar
    13. Februar 2015

    Bis jetzt steht hier noch nichts von Strings. Das Standardmodell beinhaltet ja nicht die String Theorie. Wäre es nicht aber möglich daß sich hier für die String-Theorie die ganz große Chance bietet?

    Und sollte sich herausstellen, daß Quarks fundamental sind – wäre die String-Theorie dann widerlegt?

    Oder haue ich da was komplett durcheinander?

  33. #33 Frantischek
    13. Februar 2015

    Versteh ich das richtig?
    Es werden einfach nur Protonen zusammengebumst und gehofft das die in allen Richtungen davon fliegenden (wobei die ja nur extrem kurze Strecken schaffen) Gluonen auf Quarks treffen und die dann die erwarteten Jets zeigen?
    Es gibt keinen Gluonenstrahl!?

    Muss ein ziemliches Gepfriemel sein, so die richtigen Daten rauszufinden. Ich stell mir da ein enormes “Hintergrundrauschen” vor…

  34. #34 Florian Freistetter
    13. Februar 2015

    @Frantischek: “Es gibt keinen Gluonenstrahl!?”“Muss ein ziemliches Gepfriemel sein, so die richtigen Daten rauszufinden. Ich stell mir da ein enormes “Hintergrundrauschen” vor…”

    Was bei diesem “Gepfriemel” passiert, hab ich hier erklärt: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2011/11/07/wie-das-higgsteilchen-entdeckt-werden-wird-falls-es-entdeckt-wird/

  35. #35 JaJoHa
    13. Februar 2015

    @Frantischek
    Es gibt keine freien Gluonen. Das ganze läuft unter dem Namen “confinement” und verhindert, das man freie Gluonen oder Quarks sieht. Außerdem tragen Gluonen keine elektrische Ladung, sondern nur Farbladung. Das macht einen “Gluonenstrahl” praktisch unmöglich.

    Praktisch bedeutet das, man nimmt etwas, das Gluonen und Quarks enhält und haut es gegen etwas, das ebenfalls Gluonen und Quarks enthält. Der Gesamtimpuls verteilt sich auf die Einzelteile (Valenz und Seequarks sowie Gluonen) gemäß der “parton density function”. Packst du genug Power da rein, dann ist die Chance, das ein Parton genug Energie für einen Prozess mitbringt größer. Wenn du alle 25 ns so 10 bis 20 Kollisionen machst und anschließend die “intressanten” Ereignisse aussortierst, dann kannst du auch die selteneren Prozesse sehen.
    Das läuft über Trigger, die gewisse Kriterien haben (fehlender Impuls, Anzahl der Jets, b-Tags und so weiter). Das reichert die Ereignisse, die dich intressieren in dem Datensatz an (und schmeißt das eine Menge weg, ATLAS und CMs speichern ca 100 Events/s). Wie weit das angereichert ist kann dabei variieren, zum Beispiel (geht um single top quarks) 1500 Ereignisse aus etwa 25000 Ereignissen (bei t Paaren ist das weniger Untergrund, weil man besser drauf triggern kann).

  36. #36 Frantischek
    13. Februar 2015

    Jaha! In den Grundzügen hab ich das eh noch im Kopf. Hab ja u.a. die Frau Randal und ihre ganz genaue Beschreibung vom LHC gelesen.

    Ich denk mir aber das der Aufwand jetzt, bei den Bestandteilen der Quarks, noch einmal um einiges größer wird als bisher.
    Bis jetzt hat man ja immer noch um einiges “direkter” untersucht, oder?
    Also in dem man Teilchen kollidierte und deren Bestandteile analysierte.
    Hier sollen ja die Teilchen kollidieren, deren Bestandteile kollidieren und wenn die Bestandteile der kollidierten Bestandteile das erwartete Verhalten zeigen hat man gewonnen.
    Grob gesagt…

  37. #37 McPomm
    13. Februar 2015

    @tobalt

    Mal nebenbei gefragt: spielt Festkörperphysik nur eine unbedeutende oder gar keine Rolle für Astrophysik? Oder gibt es Gebiete, in denen Erkenntnisse aus der Festkörperphysik auch für die Astrophysik oder Kosmologie bedeutend sind?

    Die Materie im Kosmos kann ja durchaus auch exotische Zustände einnehmen.

  38. #38 JaJoHa
    13. Februar 2015

    @Frantischek
    Man sucht nach den Zerfallsprodukten. Ob das ein angeregter Zustand oder ein Elementarteilchen ist sollte da keinen großen Unterschied machen. Die wichtigen Fragen sind dabei, wie wahrscheinlich die Erzeugung ist und wie gut man diese Ereignisse vom Untergrund trennen kann.
    Angeregte Zustände kennt man ja schon von den Hadronen, wo es für die Mesonen einen ganzen Haufen davon gibt. Ich vermute, am ehesten sollte das beim top-Quark gehen, da das nicht hadronisiert (Lebensdauer zu kurz).

  39. #39 SonnenKlar
    14. Februar 2015

    War meine Frage dumm?

  40. #40 Florian Freistetter
    14. Februar 2015

    @Sonnenklar: “War meine Frage dumm?”

    Nein, gar nicht. Hab sie nur übersehen. Ne, die Stringtheorie wäre nicht widerlegt, wenn Quarks nicht fundamental sind. Es gibt ja viele Variationen und das lässt sich da sicher unterbringen. Wenn sich allerdings Susy als falsch herausstellt, hätte die Stringtheorie durchaus ein größeres Problem…

  41. #41 SonnenKlar
    15. Februar 2015

    Interessant, danke!

  42. […] wurde ja schon gefunden und nun beginnt die Suche nach wirklich NEUER Physik (ich habe da ja kürzlich schon darüber geschrieben). Und die muss es geben, denn mit dem aktuellen Standardmodell der Teilchenphysik lassen sich […]

  43. […] nach einer Renovierungspause wieder den Betrieb aufnehmen und sich auf die Suche nach interessanten Phänomenen machen. Die Wissenschaftler erhoffen sich Antworten auf große Fragen (zum Beispiel “Woraus […]