Aufbau von Protonen und Neutronen

Tobi3000 · Anmeldungsdatum: 21.03.2009 Beiträge: 5

Ich muss Dienstag ein Referat über Quarks und Gluonen halten und habe dazu eine Zeichnung entdeckt, die ich hier an diesem beitrag angehängt habe.

Die Valenzquarks sind in allen Quellen gut beschrieben. Nur frage ich mich, was die Quark-Antiquark-Paare für eine Rolle spielen und wie man diese Entdeckt hat, bzw wie man darauf kommt, dass diese exestieren müssen?

Dann habe ich noch eine Frage zur Kernspaltung:

Kommt der Massendefekt dadurch zustande, weil nach der Spaltung einige Protonen und Neutronen nicht mehr Wechselwirken können und dadurch die Masse der Gluonen, die nicht mehr gebraucht werden in Form von Energie frei werden?

wishmoep · Anmeldungsdatum: 07.09.2008 Beiträge: 1342 Wohnort: Düren, NRW

Tobi3000 · Anmeldungsdatum: 21.03.2009 Beiträge: 5

Ich wüsste jetzt nicht, wie das meine Frage beantwortet?!

wishmoep · Anmeldungsdatum: 07.09.2008 Beiträge: 1342 Wohnort: Düren, NRW

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18062

Die Frage nach den Sea-Quarks ist schon ziemlich knackig!

Was weißt du denn von der QCD bzw. der starken Wechselwirkung?

Zuerst ein Verweis auf ein anderes Forum, wo ich dazu kürzlich einiges geschrieben habe. Abenteuer-Universum: Elementarteilchenphysik. Die Beiträge sind noch nicht vollständig, aber evtl. hilft dir das schon mal weiter.

Dann nochmalin Kürze: in der Quantenfeldtheorie (eine Erweiterung der Quantenmechanik) werden alle physikalischen Objekte zunächst durch Felder beschrieben. Dabei gibt es so bekannte Felder wie das elektromagnetische Feld, aber auch so abstrakte wie das Quarkfeld. Das Gluonfeld ähnelt in seinen Eigenschaften dem elektromagnetischen Feld, ist jedoch deutlich komplizierter, da die Gluonen selbst miteinander wechselwirken. Photonen tun dies nicht, da sie keine elektrische Ladung tragen. Quarks und Gluonen tragen dagegen beide eine sogenannte Farbladung.

In der Quantenfeldtheorie wird nun nun ein mathematischer Formalismus angewandt, der sich so interpretieren lässt, als ob ein Gluon virtuell in ein Quark-Antiquark-Paar zerfallen und kurze Zeit später wieder zu einem Gluon rekombinieren kann. Genauso kann ein Quark ein virtuelles Gluon emittieren und kurze Zeit später wieder absorbieren. Wie gesagt, der mathematische Formalismus legt diese Interpretation nahe, das ist jedoch extrem vereinfacht dargestellt.

Die Protonen und Neutronen sind nun aus einem "Brei" (mir fällt kein besseres Wort ein) aus Quarks und Gluonen aufgebaut. Wenn man mit hochenergetischen Elektronen auf ein Proton schießt, dann stellt man fest, dass es häufig mit einem Quarks zusammenstößt. Aus bestimmten mathematischen Überlegungen kann man ableiten, dass es drei dieser Streuzentren im Proton gibt; dies sind die sogenannten Valenzquarks.

Dieses Bild gilt jedoch nur in einer gewissen Näherung. Exakter ist das Bild des o.g. Breis. In diesem Brei bilden sich offensichtlich drei Zentren aus, an denen das Quarkfeld gewissermaßen "hart" wird. Allerdings darf man den Brei selbst auch nicht vernachlässigen. Bei bestimmten Experimenten und genügend hoher Messgenauigkeit findet man auch die schwachen Effekte, bei denen das Elektron an dem Quarkbrei streut. Dieser Quarksbrei besteht aus den virtuellen Quarks. (An dem Gluonenbrei streut das Elektron nicht; die Gluonen sind elektrisch neutral).

Das Bild ist insofern etwas irreführend, als es den Eindruck vermittelt, es gäbe quasi zwei Sorten von Quarks; einmal die Valenzquarks und einmal die virtuellen Quarks. Das ist so nicht richtig. Es gibt zunächst mal ein fundamentales Quarkfeld, die Grenzen zwischen Valenzquarks und virtuellen Quarks (man sagt auch See-Quarks) sind fließend; je nach Szenario (abhängig von Details des Streuprozesses) zeigt sich das Quarksfeld mehr von der einen Seite (Valenzquarks) odxer von der anderen Seizte (Seequarks).

Historisch ging man zunächst von drei Valenzquarks und sonst gar nicht aus. Die Entdecker dieses ursprünglichen Quark-Partonmodells waren Gell-Mann, Zweig und Feynman (letzterer nannte die Dinger Partonen, die beiden anderen Quarks). Viele Strukturen in Proton und Neutron lassen sich algebraisch über dieses vereinfachte Modell mit drei Valenzquarks erklären. Später wurden dann die Korrekturen zu diesem Modell experimentell ermittelt und im Rahmen der QCD exakt beschrieben. Damit betrat das Quarkfeld die Bühne.

Ich würde dir empfehlen, in der Wikipedia nachzuschauen. Schlagworte wären z.B. Quark, Partonen, QCD / Quantenchromodynamik.

Tobi3000 · Anmeldungsdatum: 21.03.2009 Beiträge: 5

Diese See-Quarks kann man also als ein Produkt einer Paarbildung durch die Energiereichen Gluonen sehen, ähnlich wie der Elektron-Positron-Bildung aus Gammastrahlung. Habe ich das richtig verstanden?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18062

Nein, nicht ganz.

Die Elektron-Positron-Bildung aus Gammastrahlung, die du meinst, produziert ja reelle Elektronen und Positronen.

Im Falle der virtuellen Teilchen können diese nicht in einem Endzustand existieren. Insbs. gilt für die virtuelle Teilchen die relativistische Energie-Impuls-Beziehung

nicht! Für reelle Teilchen steht rechts die Ruhemasse, für virtuelle Teilchen eine beliebige positive reelle Zahl. Reelle Gluonen wären masselos.

wishmoep · Anmeldungsdatum: 07.09.2008 Beiträge: 1342 Wohnort: Düren, NRW

para · Moderator Anmeldungsdatum: 02.10.2004 Beiträge: 2874 Wohnort: Dresden

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18062

Genau! Physiker sind grundsätzlich schreibfaul.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18062

Ich habe im o.g. Forum Abenteuer-Universum: Elementarteilchenphysik gestern und heute zwei neue, ausführliche Beiträge zur QCD bzw. zu Quarks eingestellt.

Vielleicht hast du ja Lust, nochmal reinzuschauen.

Tobi3000 · Anmeldungsdatum: 21.03.2009 Beiträge: 5

Was ist denn der Unterschied zwischen |Λ°) = |uds) und |Σ°) = |uds)?

Gast

Im Λ° koppeln die Isospins aus u und d antiparallel zu Gesamt-Isospin I=0, im Σ° dagegen parallel zu I=1. Damit sind auch die Massen leicht unterschiedlich; außerdem ergeben sich unterschiedliche Zerfallskanäle.

Das Λ° zerfällt in Proton oder Neutron, wobei jeweils ein zusätzliches Pion entsteht; eigentlich ist es das s-Quark, das über die schwache WW zerfällt, weswegen die Lebensdauer vergleichsweise hoch ist. Das Σ° zerfällt unter Aussendung eines Gamma-Quants in ein Λ°, man kann das Σ° als Isospin-Anregung des Λ° betrachten.

Tobi3000 · Anmeldungsdatum: 21.03.2009 Beiträge: 5

Jo ich danke euch für eure Hilfe.