Also die Neutrinogeschichte nervt mich mittlerweile. Lassen wir doch mal von einer CERN-Messung reden, die tatsächlich interessant ist. Nämlich die, dass es dem kleinsten Experiment am LHC, TOTEM, gelungen ist nachzuweisen, dass das Proton bei höheren Energien größer wird.

Wie TOTEM funktioniert und was es untersucht, hatte ich bereits hier beschrieben.

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Bildquelle: CERN/TOTEM

Kurz gefasst bringt es spezielle Detektoren, die “römische Töpfe” genannt werden ganz dicht an den Teilchenstrahl, um Ablenkungen bei Kollisionen mit sehr kleinem Winkel zu messen. Dazu hat man eine spezielle Experimentierzeit am LHC eingefordert, in der die Protonendichte deutlich kleiner war als sonst, was erlaubte den Detektor noch näher an den Strahl zu bringen.

Gut in Form

Jetzt müssen wir ein bisschen in die physikalische Fachbegriffswelt exkursieren, sonst sagt keine der beiden Achsen des entscheidenden Plots euch etwas. Aber keine Angst, ich machs so knapp wie möglich.
Die erste Größe ist der Impulsübertrag. Das ist recht einfach zu verstehen, denn wir wissen ja schon dass uns Ablenkungen bei besonders kleinen Winkeln interessieren. Jetzt stellt euch vor, ihr wollte einen Ball aus der Bahn lenken, der an euch vorbeirollt. Wenn ihr den Ball nur wenig ablenkt, habt ihr ihn weniger fest angestoßen, als wenn ihr ihn in weitem Bogen wegschießt. Das Maß dafür, wie feste ihr getroffen habt, ist der Impulsübertrag.
Für unsere Protonen heißt das: Je größer der Ablenkwinkel in einer Kollision zwischen zwei Protonen, desto größer der Impulsübertrag. Jetzt kommt noch die kleine Komplikation hinzu, dass die Protonen so schnell sind, dass sie nahe an der Lichtgeschwindigkeit sind und man relativistisch rechnen muss. Dazu muss man statt drei Raumkoordinaten noch die Zeit hinzunehmen und spricht von Vierervektoren, bzw. man bestimmt das Quadrat des Viererimpulsübertrages, hier mit t bezeichnet.

Die zweite Größe ist der (differentielle) Wirkungsquerschnitt, der ein Maß dafür angibt wie wahrscheinlich eine Kollision ist.
Entwickeln wir die Idee von hier aus: Ihr sammelt obigen Ball auf und schießt damit auf ein Tor. Der Wirkungsquerschnitt ist hier, ziemlich naiv, die Fläche des Tores. Jetzt gibt es hier aber im Vergleich zu Protonenschießen nur die Möglichkeiten, Treffer oder nicht.*
Oder halt, ihr könntet auch den Pfosten treffen: Dann ändert ihr die Bahn des Balles, ohne aber zu treffen. Wenn wir mit Kräften arbeiten, ist das immer eher so, als ob man Streifschüsse an den Pfosten setzt. Das ist das klassische Experiment von Rutherford, als er eine Goldfolie mit Teilchen beschoss: Manche kamen ganz zurück, das sagte ihm dass es einen festen Atomkern gab. Aber die allermeisten wurden nur etwas abgelenkt. Das sagte Rutherford, dass Atome zum Großteil leer sind, aber die elektrische Wechselwirkung mit dem Kern die Geschosse beeinflusst. Und wie stark jetzt die Ablenkung ist abhängig von der Entfernung (und vom Winkel) vom Atomkern, das ist der differentielle Wirkungsquerschnitt.
Nicht mehr so anschaulich, aber passender wäre folgender Vergleich: Euer Ball ist aus Metall, und ihr schießt ihn mit einer Kanone auf einen Stab, der einen sehr starkes Magnetfeld entwickelt. Dann würde der Ball stärker abgelenkt, je näher ihr am Zentrum vorbeischießt.

Was man aber letztendlich in solchen sogenannten Streuexperimenten misst, ist der Zusammenhang zwischen Entfernung/Winkel (angezeigt durch den Impulsübertrag) und Streuquerschnitt. Für einen echten Punkt wäre es natürlich einfach, aber so ein Proton ist doch räumlich ausgedehnt, wie eine Wolke von Ladung aus Gluonen und ProtonenQuarks. Für Rutherford war der Goldatomkern noch ein Punkt, denn die Energien mit denen er schoss waren klein. Aber wenn man höhere Energien hat, kann man damit kleinere Strukturen auflösen. Der LHC ist in Wirklichkeit das stärkste Mikroskop der Welt, denn seine Rekordenergien lösen sehr kleine Strukturen auf.

Und diesen Sachverhalt definiert man so: Die Grundlage ist der klassische Streuquerschnitt von Rutherford für eine Punktladung. Daran multipliziert man eine Formel, die man den Formfaktor nennt und der alle Informationen enthält, wie das streuende Zentrum tatsächlich geformt ist, also die Abweichung vom Punkt. Fein daran ist, dass man die Kiste dann Fourier transformieren kann und die Ladungsverteilung erhält. In Streuversuchen von Elektronen an Atomkernen hat man so z.B. die innere Struktur der Protonen und Neutronen entdeckt. Wer mehr dazu wissen will, kann sich z.B. dieses Vorlesungskapitel ansehen, für alle anderen reicht es zu wissen, dass wenn man Impulsübertrag gegen Wirkungsquerschnitt aufzeichnet, man Informationen über die Form des Teilchens erhält, auf das man schießt.**

Verfressene Protonen

In einem Preprint hat die TOTEM-Kollaboration ihre Ergebnisse vorgestellt (siehe auch CERN Courier. Hier der entscheidende Plot:

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Reproduziert aus: Antchev et al., EPL 2001

Auf der x-Achse also ist t, der Viererimpulsübertrag, und auf der y-Achse der differentielle Wirkungsquerschnitt. Der wirklich interessante Aspekt ist aber der eigentliche Grund, warum man diese Messung unternommen hat: Nämlich dass die Form des Plots von der Energie der Protonen abhängt, die man aufeinander geschossen hat. Bei höherer Energie verschiebt sich der Gipfel in der Mitte des Formfaktors nach rechts. Oder einfacher ausgedrückt: Bei höherer Energie ist das Proton größer.

Das hat man tatsächlich noch gar nicht so oft messen können, denn Proton-Proton-Kollidierer gab es nicht viele. Zuerst stellte man diesen Effekt vor vierzig Jahren an den Intersecting Storage Rings (ISR) fest, die aber nur einen Bereich zwischen 23 und 62 GeV durchsuchen konnten. Aber man stellte fest: Der Gipfel wird mit höherer Energie breiter und verschiebt sich nach rechts, während aber der Abfall bei höherem t davon ungerührt etwa mit t-8 läuft.
Und TOTEM konnte dem jetzt einen weiteren Datenpunkt bei höherer Energie (7 TeV) hinzufügen, der Modelle bestätigt, die die Abhängigkeit des Proton von seiner Energie vorhersagen. in den 40 Jahren dazwischen konnte lediglich der RHIC in Brookhaven einen Punkt bei 200 GeV vermessen.
TOTEM wird weiter verbessert, um noch kleinere und größere Impulsüberträge zu messen. Das wird erlauben, die Struktur des Protons viel besser als je zuvor aufzulösen und unser Verständnis der komplizierten Starken Wechselwirkung und ihrer Feldtheorie, der Quantenchromodynamik (QCD) zu verbessern.


* Bzw, wenn ihr so fähig seid wie ich, gibt es nur: Kein Treffer.
** Ja, ich weiß, hier schießt man zwei Protonen aufeinander. Same difference.



Kommentare (13)

  1. #1 H.Og.
    09/29/2011

    “Also die Neutrinogeschichte nervt mich mittlerweile. Lassen wir doch mal von einer CERN-Messung reden, die tatsächlich interessant ist.”

    Aha. Die Neutrino-Meldung ist also nicht interessant. Die Meinung haben Sie wohl exklusiv.

  2. #2 Jörg
    09/29/2011

    Aha. Die Neutrino-Meldung ist also nicht interessant. Die Meinung haben Sie wohl exklusiv.

    Ich habe nichts darüber gesagt, wie interessant ich die Story finde. Ich hab ja sogar das Paper gelesen und drüber geschrieben. Ich würde mich freuen, wenn statt Unterstellungen Fragen kämen.
    Und außerdem, was genau wäre schlimm dran wenn ich der einzige wäre der es nicht interessant findet?

  3. #3 Maxim
    09/29/2011

    Ich finde die Geschichte mit Neutrinos wird auch zu sehr gepusht.
    Andere Projekte sind nicht weniger interessant.

    Von TOTEM habe ich bis jetzt noch nichts gehört und auch die Aussage, dass die Protonen “größer” werden auch nicht. Ist es denn überhaupt wörtlich zu nehmen, größer?
    Gibt es schon Erklärungen warum das so ist?

  4. #4 KommentarAbo
    09/29/2011

  5. #5 Björn Reinhardt
    09/30/2011

    Welcher Artikel ordnet die Neutrino-Geschichte denn richtig ein? Wenn sich etwas schneller als das Licht bewegt, finde ich spontan erstmal, dass das durchaus zurecht von allen Seiten mit unglaublich großem Interesse betrachtet wird. (Laienmeinung)

    Aber ist das eigentlich gar nicht so spannend wie es gemacht wird?

  6. #6 Frank Wappler
    09/30/2011

    Jörg Rings schrieb (29.09.11 · 21:45 Uhr):

    Das:
    > aber so ein Proton ist doch räumlich ausgedehnt, wie eine Wolke von Ladung aus Gluonen und Protonen.
    … kann schon mal passieren.

    Das:
    > Der Gipfel wird mit höherer Energie breiter und evrschiebt sich nach rechts
    … wirkt schon ziemlich fahrlässig.

    Das:
    in ihrem jetzt vorveröffentlichten Paper vier verschiedene Hintergrundereignisse ausgemacht und einbezogen, und können mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit 67 Ereignisse ausmachen, die sich nicht dadurch erklären lassen.
    … ist eine verdammte Schande (für jemanden, der sich mit Physik beschäftigt, und schon mehrfach darauf hingewiesen wurde).

    Aber das:
    > Und TOTEM konnte dem jetzt einen weiteren Datenpunkt bei höherer Energie (7 TeV) hinzufügen, der Modelle bestätigt, die […]
    … ist für diejenigen, die offenbar sowieso nicht alles so genau nehmen, endlich mal ein beispielhaft verlinktbarer Anhaltspunkt, dass Modelle (experimentell) bestätigt oder falsifiziert werden; und nicht Theorien.
    Danke; bitte weiter so …

  7. #7 Niels
    09/30/2011

    @Jörg
    Schöner Artikel. Danke.
    Mein Beileid für die Mecker-Kommentare.

    @Maxim

    Gibt es schon Erklärungen warum das so ist?

    Sie haben zu ihren Messwerten bisher zwei Modelle gefunden, die konsistent mit den Daten sind.
    Das erste wird in “The First Three Pomerons” von V. A. Petrov und A. V. Prokudin vorgestellt, das zweite in “Impact-Picture Phenomenology for $π^{\pm}p, K^{\pm}p$ and $pp, \bar p p$” von Claude Bourrely, Jacques Soffer und Tai Tsun Wu.
    Wenn man die Begriffe zwischen den Anführungszeichen googlet, findet man die Paper.
    (Bei zu vielen Links schlägt der Spammfilter zu.)

    Ich hab das jetzt nur schnell überflogen.
    Beide sind unterschiedliche Modifikationen der Regge-Theorie unter Einbeziehung eines hypothetisches Teilchens, des Pomeron.
    http://en.wikipedia.org/wiki/Regge_theory
    http://de.wikipedia.org/wiki/Pomeron

    Im regge theory Eintrag findet man dann:
    “Unsolved problems in physics: How does Regge theory emerge from quantum chromodynamics at long distances?”

    Zusammenfassung: Man hat offenbar nicht so richtig ne Ahnung, warum das so ist.

  8. #9 Philipp G.
    09/30/2011

    [blockquote]… ist für diejenigen, die offenbar sowieso nicht alles so genau nehmen, endlich mal ein beispielhaft verlinktbarer Anhaltspunkt, dass Modelle (experimentell) bestätigt oder falsifiziert werden; und nicht Theorien.[/blockquote]

    Wissenschaftler arbeiten ja auch mit Modellen bzw. Modellvorstellungen, die sie dann versuchen zu verbessern. Bzw. der Sprachgebrauch ist in einigen Teilen der Wissenschaft so, und auch in den Wissenschaftstheorie/Wissenschaftsgeschichte-Seminaren die ich besucht habe, ist das Wort Modell in dem Sinne benutzt worden.
    Oder habe ich die Ironie falsch verstanden?

    Ansonsten: Ein sehr schöner Artikel.
    Ich freue mich immer, wenn ich etwas für mich verständliches vom LHC lese, mir fehlt nämlich der physikalische Hintergrund und die Zeit, mich da auf dem Laufenden zu halten.
    Mich nerven die Neutrinos inzwischen auch.
    Einer meiner Kollegen (ein Physiker, ist eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe) hat es so ausgedrückt:
    Der Laie hört: “Boah, Einstein hatte unrecht, die Relativitätstheorie ist falsch!”
    Der Physiker hört:” Wir haben da vermutlich einen systematischen Fehler in unseren Geräten. Wir finden ihn aber selber nicht. Hilfe, bitte, irgendwer?”

  9. #10 Björn Reinhardt
    09/30/2011

    @Martin: Vielen Dank!! 🙂

    und @Autor: Ich finde deinen Artikel allerdings auch sehr spannend! Danke dafür!

  10. #11 Frank Wappler
    09/30/2011

    Philipp G. schrieb (30.09.11 · 11:23 Uhr):
    > Oder habe ich die Ironie falsch verstanden?

    Ob Ironie (und Meta-Ironie?) oder … Abwägung, hängt und dreht sich offenbar allein am großen aber außerst knappen “Aber” in (30.09.11 · 00:35 Uhr).
    Passt schon.

    > Der Laie hört: […]
    (Von Laien wird keine Rechenschaft verlangt.)

    > Der Physiker hört:” Wir haben da vermutlich einen systematischen Fehler […] Hilfe, bitte, irgendwer?”

    Von Vermutungen hab ich dabei kaum gehört; eher
    “Dies ist der Messwert, und dies sind unsere Bewertungen seiner (insbesondere) systematischen Unsicherheiten. Hilfe, hilfe — wie heißt die entsprechende Messgröße?”.

    Aber dann gibt’s ja noch Aussagen, die mir unerhört scheinen; etwa:
    “Das ist doch (nur) ein weiterer von vielen Tests der (S)RT — schön, dass wir endlich
    denjenigen gefunden haben, der sie knackt(e).”

    Wer hört das, und wer plappert das nach?

    Und gibt es in ScienceBlogs etwa schon ‘ne bessere Tippsen-Stelle, um sich in
    systematischen” Sachen auszuheulen? …

  11. #12 Rarehero
    09/30/2011

    Aha. Die Neutrino-Meldung ist also nicht interessant. Die Meinung haben Sie wohl exklusiv

    Mich nerven die Neutrinos auch, vor allem weil mal wieder aller Orten Menschen hervor treten, die glau … ähm, wissen wollen, dass die RT seit jeher grundsätzlich falsch ist, die natürlich eine viel bessere Theorie bei der Theorie habe – oder die einfach schon die Enterprise im Trockendock sehen. Im Moment sind die wundersamen Neutrinos “nur” eine interessante Beobachtung, die nun ihrer Bestätigung harrt, und bis diese erfolgt ist, ist der Fall tatsächlich relativ uninteressant. Wahrscheinlich trage ich aber auch zum Nervfaktor bei, in dem ich auf solche Aussagen eingehe.

  12. #13 SCHWAR_A
    10/01/2011

    @Jörg:
    Gilt eigentlich bzgl. der Kraft zwischen Ladungen auch die SRT? Also, erhöht sich die tatsächlich wirkende Ladung so, wie sich die wirkende Masse bei hohen Relativ-Gechwindigkeiten erhöht?