Warum prallen Protonen im LHC nicht einfach aneinander ab?

Elastische Kollisionen passieren am LHC. Das TOTEM-Experiment misst den differentiellen Wirkungsquerschnitt (Geschwindigkeit als Funktion des Winkels) für elastische Proton-Proton-Streuung am LHC. Hier ist ihr neustes Ergebnis . Sie veröffentlichen keine Schätzung des elastischen Querschnitts, aber nach ihren Angaben muss er mindestens 25 mb ( Millibarn ) betragen (meine erste Version dieses Beitrags hatte einen Fehler – die Überschrift 100 mb Zahl, die in der Zusammenfassung gezeigt wird, ist ein Maß für den gesamten pp-Querschnitt, der sowohl elastische als auch unelastische Beiträge enthält). Vergleichen Sie dies mit dem Produktionsquerschnitt des Higgs-Bosonsbei gleicher Kollisionsenergie, die etwa 20 pb (Picobarn) beträgt. Das heißt, wenn zwei Protonen bei 8 TeV kollidieren, ist es mehr als eine Milliarde Mal wahrscheinlicher, dass sie aneinander abprallen, als dass sie ein Higgs-Boson produzieren.

Wie andere bereits betont haben, sind Allzweckdetektoren wie CMS und ATLAS nicht dafür ausgelegt, elastische Kollisionen zu erkennen. Die elastischen Kollisionen treten hauptsächlich in Vorwärtswinkeln auf, was bedeutet, dass die Protonen nur knapp von ihrer ursprünglichen Flugbahn abgelenkt werden (denken Sie eher an eine flüchtige Kollision zwischen zwei Billardkugeln als an eine Frontalkollision), während die exotischere Physik dazu neigt, Partikel zu erzeugen, die gehen mehr senkrecht zur Strahlrichtung.

Alles, was nicht verboten ist, muss passieren.

Das ist eine wichtige Aussage, die man im Hinterkopf behalten sollte, wenn man sich der Quantenphysik nähert. Es bedeutet nicht, dass alles, was passieren kann, immer passiert, aber es muss irgendwann passieren, so wie jemand irgendwann im Lotto gewinnen muss.

Allerdings gehen einige Protonen durch den LHC, rammen sich gegenseitig und prallen elastisch ab. Nichts verbietet dies; die Energie und der Impuls bleiben erhalten, ebenso wie Ladung, Teilchenzahl usw. Daher muss es passieren. Aber das ist ein langweiliges Ergebnis, also möchten wir keine Detektoren haben, die speziell dieses Ereignis messen (um ehrlich zu sein, jemand ist wahrscheinlich an diesem Ergebnis interessiert, weil das auch nicht verboten ist. Also haben sie vielleicht einen Detektor). Außerdem kollidieren diese Protonen bei den hohen Energien (es war $4TeV$pro Protonenstrahl, aber ab diesem Jahr ist es$6.5TeV$), beginnt die Quantenphysik andere aufregende Dinge zuzulassen.

Ich erspare Ihnen die ausführlichen Quantendetails, aber wenn so viel Energie in dem Raum enthalten ist, in dem die Protonen kollidieren, besteht die Möglichkeit, dass viele Dinge passieren.

• Die Protonen können in andere Teilchen wie Mesonen zerfallen, wenn die Kollision ein oder mehrere Quarks aus dem Proton herausschleudert.

• Die hohe Energiemenge kann die Produktion von Teilchen-Antiteilchen-Paaren ermöglichen (solange diese Produktion alle notwendigen Mengen erhält).

• Die Quarks und Gluonen, aus denen jedes Proton besteht, können sich verbinden und interagieren, um größere Teilchen und schwerere Quarks zu erzeugen, oder sie können interagieren und schwerere Bosonen oder andere seltene Teilchen wie das Higgs-Boson erzeugen.

Die hohe Energie ermöglicht all dies zu geschehen (d.h. sie erhöht die Wahrscheinlichkeit einiger Dinge dramatisch und „verbietet“ andere Dinge). Es gibt sicherlich eine Energieskala, in der keine schwereren Teilchen erzeugt werden können und in der die Protonen nicht auseinanderbrechen. Sie benötigen eine minimale Energie, um die Kräfte zu überwinden, die das Proton zusammenhalten. Und für die Teilchenproduktion benötigt man mindestens so viel Energie, wie die Masse der erzeugten Teilchen fasst.

Da es ungefähr 600 Millionen ^Kollisionen pro Sekunde gibt, ist dies wirklich ein Fall von dieser wichtigen Aussage oben. Die Quantenphysik erlaubt all diese fabelhaften anderen Teilchen (und die daraus resultierenden Zerfälle und Wechselwirkungen von ihnen) während der Kollisionen, daher müssen sie stattfinden. Es ermöglicht auch eine elastische Streuung der Protonen und das passiert, aber wer will schon zwei Protonen mit hoher Geschwindigkeit voneinander abprallen sehen? Ich nicht. Die Detektoren und die Energie von Kollisionen sind darauf ausgelegt, (im Rahmen unserer technologischen Möglichkeiten) die Wahrscheinlichkeit zu maximieren, dass interessante Dinge passieren.

Elementarteilchen (z. B. Protonen)

Protonen sind keine Elementarteilchen, sie bestehen aus Partonen (Quarks und Gluonen) in "Suppe".

Unter,$\lambda$die Wellenlänge ist, die der Energie der Wechselwirkung über die übliche De-Broglie-Beziehung und entspricht$r_p$ist der Radius des Protons.

Bei niedriger Energie mit$\lambda >> r_p$Die Wechselwirkungen sind genau so, wie Sie es beschreiben, die Protonen sind punktförmig und positiv geladen und stoßen sich ab.

Bei mittlerer Energie mit$\lambda \approx r_p$das Proton ist nicht mehr punktförmig, sondern verhält sich wie ein gleichmäßig geladener Körper.

Bei hoher Energie mit$\lambda < r_p$Die räumliche Auflösung ist genau genug, um Wechselwirkungen zwischen einzelnen Quarks einzubeziehen, und das Proton verhält sich wie ein Bündel von 3 Quarks (uud).

Bei sehr hoher Energie mit$\lambda << r_p$wie denen, die derzeit vom LHC erreicht werden, offenbart sich die „wahre“ Natur des Protons als eine sich ständig verändernde, sprudelnde Suppe aus Quarks und Gluonen, die auftauchen und wieder verschwinden (sogar andere Quarks außer u und d, die „normalerweise“ vorhanden, so können wir im LHCb-Detektor B-Mesonen erzeugen, obwohl man auf den ersten Blick glauben könnte, es seien keine b-Quarks vorhanden: Ein gewisser Bruchteil der Zeit, mit dem ein b-Quark aus der Quark-Gluon-Suppe innerhalb eines Protons interagiert ein Quark oder Gluon vom anderen Proton über ein ausgetauschtes Gluon und fliegt dann weg, bevor es in einen Strahl von Hadronen, einschließlich B-Mesonen, hadronisiert wird).

Im Grunde genommen verhalten sich Protonen bei niedrigen Energien wie positiv geladene punktförmige Teilchen und prallen voneinander ab, aber bei ausreichend hohen Energien werden die Wellenlängen der ausgetauschten Bosonen klein genug, um die einzelnen Quarks und Gluonen innerhalb der Protonen herauszufiltern sie interagieren daher individuell.

warum zerfallen sie in dutzende andere Teilchen

Dies ist der Prozess, den ich oben erwähnt habe, "Hadronisierung". Es ist eine Folge der QCD-Beschränkung. Wikipedia wird Ihnen eine detailliertere Erklärung geben, wenn Sie eine wünschen, aber ein qualitatives Verständnis kann gewonnen werden, wenn Sie wissen, dass farbige Teilchen (dh Quarks und Gluonen) nicht alleine existieren können und sich paaren müssen (rot-antirot, blau-antiblau). oder Grün-Antigrün) oder Trio-up (Rot-Grün-Blau oder Antirot-Antigrün-Antiblau), um "farblose" Mesonen bzw. Baryonen zu werden. Mesonen und Baryonen sind jeweils Arten von Hadronen.

Die farbigen Partonen, die durch hochenergetische Protonenkollisionen erzeugt werden, emittieren Gluonen, die paarweise Quark-Antiquark-Paare zu Hunderten oder sogar Tausenden erzeugen. Diese können sich dann alle zusammenballen und zu farblosen Hadronen werden. Sie können sich vorstellen, wie kompliziert und chaotisch dieser Prozess ist, was einer der Gründe dafür ist, dass er sehr schwer zu modellieren ist.