Wie entstehen Teilchen in Beschleunigern?

Dies ist ein Kandidat für ein Higgs-zu-zwei-Gamma:

Kandidaten-Higgs-Boson-Ereignis aus Kollisionen zwischen Protonen im CMS-Detektor am LHC. Aus der Kollision im Zentrum zerfällt das Teilchen in zwei Photonen (gestrichelte gelbe Linien und grüne Türme) (Bild: CMS/CERN)

Du sagst:

Aber aus QFT-Perspektive höre ich oft, dass es darum geht, die Quantenfelder anzuregen

Sicher, aber all diese QFT-Mathematik passiert an dem Punkt, an dem Sie sehen, wo alle Spuren herauskommen, einschließlich der beiden Gammas, deren unveränderliche Masse in diesem Experiment in den Messfehler der Higgs-Masse fällt.

Du fragst auch:

ein Higgs-Boson wurde produziert, weil genug Energie bereitgestellt wurde, so dass eine Anregung im Higgs-Feld erzeugt wurde. Aber hat das etwas mit den eigentlichen Teilchen zu tun, die im Wechselwirkungspunkt kollidieren?

Die ankommenden Protonen sind die echten Teilchen, die in das Feynman-Diagramm des Higgs in die Zwei-Gamma-Produktion eintreten, dh die Energie liefern, die benötigt wird, um das Higgs-Feld anzuregen. Dieses Ereignis kann ein Higgs sein oder auch nicht, abhängig vom gemessenen Querschnitt, dh eine statistisch große Anzahl solcher Ereignisse, die mit einem Monte-Carlo-Hintergrund ausgestattet werden können, der die Entdeckung eines Überschusses, einer Verstärkung des Higgs, ermöglicht.

Alle anderen Dinge im Bild werden verwendet, um die Impulsenergievektoren ein- und ausgehender Teilchen in das Feynman-Diagramm zu schätzen (das mit QFT-Regeln berechnet wird).

Es ist meistens egal, welche Teilchen kollidieren, aber sie beeinflussen das Ergebnis ein wenig. Das hat mit Denkmalschutzgesetzen zu tun.

Meist bringen die kollidierenden Teilchen Energie. Wenn genügend Energie auf einen ausreichend kleinen Raumbereich fokussiert wird, können im Prinzip alle Quantenfelder eine gewisse Anregung erhalten, und alle Arten von Teilchen werden gebildet. Aus dem Kollisionszentrum schießt ein wahrer Partikelzoo. Dinge wie elektrische Ladung und Leptonzahl und Drehimpuls und andere Zahlen bleiben jedoch erhalten. Also zum Beispiel, wenn es zwei geladene Teilchen gibt$+1$jedes (wie Protonen) dann die elektrische Gesamtladung aller Produkte sein wird$+2$. Dies beeinflusst also die möglichen Ergebnisse ein wenig. Beispielsweise werden Sie niemals nur Elektronen aus einer Kollision von Protonen erhalten.

Bei QFT ist es wirklich die gleiche physikalische Geschichte, nur anders ausgedrückt. Ich bin mir nicht sicher, wie viel mathematischer Hintergrund Sie haben, daher vermeide ich Gleichungen, aber wenn Sie möchten, dass ich expliziter bin, bearbeite ich die Antwort.

QFT basiert auf dem Konzept der zweiten Quantisierung, was Sie als Anregen der Quantenfelder bezeichnen: So wie eine Gitarrensaite angeregt werden kann, so kann das Grundfeld einer bestimmten Teilchenart angeregt werden. Jede solche Erregung wird als ein Quant des Feldes bezeichnet, und dieses Quant nennen wir ein Teilchen. Diese Felder können interagieren, und genau wie in der regulären QM oder sogar in der klassischen Mechanik werden diese Wechselwirkungen als Terme im Lagrange/Hamiltonian der Theorie ausgedrückt. Im Grunde kann man sich diese Anregung, also ein Teilchen, einfach so vorstellen, dass es sich durch den Raum ausbreitet, auf eine andere Anregung des gleichen oder eines anderen Feldes „trifft“ und dadurch andere Quanten verschiedener Felder anregt.

Wenn Sie nun die Wahrscheinlichkeitsamplitude berechnen möchten, dass ein Satz von Teilchen durch eine Kollision in einen anderen Satz von Teilchen umgewandelt wird, würden Sie das Matrixelement zwischen dem Ein-Zustand der ankommenden Teilchen (z. B. zwei Protonen) und dem Aus-Zustand berechnen Zustand der resultierenden Partikel, die den Zeitentwicklungsoperator einschließen. Wenn Ihre Felder interagieren können, dh einige geeignete Wechselwirkungsterme in Ihrer Theorie auftauchen, haben Sie möglicherweise ein Matrixelement ungleich Null zwischen ihnen, was bedeuten würde, dass Sie manchmal sehen werden, wie diese Teilchen aus der Kollision kommen.

Wie ich schon sagte, ist es physikalisch dieselbe Geschichte wie das, was Sie mit Gluonenfusion usw. im Sinn haben. QFT ist wirklich nur der geeignete Rahmen für solche Berechnungen, weil es offensichtlich relativistisch ist (Sie müssen sich also keine Gedanken über Kausalität machen) und nutzt das nützliche Konzept der zweiten Quantisierung, dh Erzeugung und Vernichtung von Teilchen als Anregung des entsprechenden Feldes.