Was passiert mit den Protonen beim Zusammenstoß am LHC

LHCC · Gast

In einem Buch über den LHC schreibt der Autor ,dass beim Zusammenstoß eins oder beide Protonen zertrümmert werden.Ein Quark würde gestreut ,und verlässt den Stossbereich als Jet.
Ich dachte den Protonen passiert nichts,weil die Energie zu gering ist um die Quarks zu trennen,ausserdem würden einzelne Quarks sofort wieder ein Pärchen bilden.
Wenn Bleikerne zusammenstossen ist die Energie hoch genug um ein Quark - Gluon Plama zu bilden.

LHCC · Gast

Ist die Frage zu trivial oder zu schwer?

yellowfur · Moderator Anmeldungsdatum: 30.11.2008 Beiträge: 804

Wieso sollte den Protonen bei einer so hohen Kollisionsenergie nichts passieren? Es ist ja gerade die Idee beim LHC, Einblick in die subatomare Struktur der Teilchen bei hohen Energien zu erhalten, nachzulesen hier:

http://science.howstuffworks.com/science-vs-myth/everyday-myths/large-hadron-collider4.htm

Du hast schon Recht, ein Quark kann alleine nicht existieren. Aber ein Proton besteht aus zwei up Quarks und einem down Quark (uud). Wenn jetzt das Proton in einer Kollision zertrümmert wird, dann bewirkt die Restenergie, dass die Quarks zwar auseinanderfliegen, aber durch das Color Confinement wird das bindende Potential mit wachsendem Abstand immer größer, bis du so viel Energie hineingesteckt hast, dass ein neues Quark entstanden ist:

http://en.wikipedia.org/wiki/Color_confinement

Deswegen hast du auch deinen Jet. Pro Kreuzung zweier Teilchenpakete hast du zwar im Schnitt nur 20 erfolgreiche Kollisionen ( http://www.lhc-facts.ch/ ), aber du hast auf jeden Fall die Jets.
Blei-Ionen sind einfach größer, aber abgesehen von den anderen energetischen Bedingungen ändert sich nichts.

LHCC · Gast

Was passiert mit dem Rest-Proton ,wenn jetzt z.B. ein up-Quark rausgeschlagen wird.Fliegt der Rest als up- down Teilchen weiter,oder entsteht wieder ein neues up-Quark und somit wieder ein ganzes Proton?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18049

jh8979 · Moderator Anmeldungsdatum: 10.07.2012 Beiträge: 8578

Zur Veranschaulichung was da so passiert mal ein Bild:
Jede der gelben Spuren entspricht einem Teilchen, das bei der Kollision entstanden ist.

LHCC · Gast

Wenn nur ein Quark rausgeschlagen wird,bleib für mein Verständnis ein Rest übrig der nicht an der Kollision teilnimmt ,und so auch kein Schauer bilden kann.
Lisa Randall schreibt ,dass der Rest des Protons sich einfach weiterbewegt und die Kollision vermeidet.Die Teile des Protons die nicht kollidieren tragen den Rest der Nettoladung davon,die einfach im Verlauf des Stahlrohrs verschwinden.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18049

Wenn sie das tatsächlich so schreibt, dann ist das sehr schade, denn es ist einfach falsch!

Der Aufbau der Hadronen ist extrem komplex. Demzufolge ist auch der Streuprozess selbst sowie die Fragmentierung / Hadronisierung komplex.

Zunächst mal muss man sich davon verabschieden, Hadronen als Ansammlung von einzeln identifizierbaren Teilchen anzusehen. Dieses Bild wird leider oft verwendet und vermittelt einen völlig falschen Eindruck. Hadronen sind am ehesten als "Suppe von Quarks, Antiquarks und Gluonen" anzusehen. Bei Streuexperimenten tragen sie eine exakt definierte Ladung Q sowie einen exakt definierten Spin S. Die Anzahl der enthaltenen Quarks ist jedoch keineswegs exakt definiert!!! Im Falle des Protons muss man sich das so vorstellen, dass dieses die Quantenzahlen Q und S des Zustandes "uud" trägt, jedoch keinesfalls exakt aus "uud" besteht. Es ist vielmehr so, dass man experimentell näherungsweise zwei mal "u" sowie einmal "d" findet, jedoch auch Beiträge anderer Quarks ("s", ...), Antiquarks sowie von Gluonen.

An dieser Suppe streut nun ein anderes elementares Teilchen (Elektron) oder ein anderes Proton. Wenn dabei nun ein Quark aus dieser Suppe "herausgekickt" wird, so müsste gegen die starke Farb-WW sehr viel Energie aufgebracht werden, um dieses zu isolieren. Aufgrund des Color-Confinements ist die Existenz isolierter Farbladungen jedoch verboten, d.h. das einzelne Quark müsste stattdessen mit einem spontan erzeugten, virtuellen Antiquark ein farbneutrales Meson bilden (*). Das zugehörige virtuelle Quark müsste mit dem Rest des Protons ein neues, farbneutrales Hadron bilden (**).

Beide Prozesse (*) und (**) finden jedoch so typischerweise. nicht statt. Die Bindung der Quarks in der Suppe des Protons ist so stark, dass auch dieser Rest durch das Herauskicken des Quarks beeinflusst wird und typischerweise in mehrere Fragmente zerbricht. Es resultieren demnach komplexe Schauer vieler Hadronen. Für ein Bild siehe folgende Links:

http://www.quantumdiaries.org/wp-content/uploads/2010/12/fullhadronic.png

http://steve.cooleysekula.net/goingupalleys/wp-content/uploads/2011/09/Proton-Collision-Event.jpg