Frage von CubraCartez, 135

Wie erkennt man Elementarteilchen und bestimmt ihre Größe?

Alle Elementarteilchen sind ja Punktförmig. Müssten sie denn in dem Fall nicht alle gleichgroß sein, z.B Higgs Boson so groß wie das Photon? Wie könen Physiker rausfinden wie groß ein Elementarteilchen ist bzw ob es Punktförmig ist? Kann es Higgs Boson zB. so groß sein wie ein Proton oder so groß wie ein Atom oder könnte es sich bei dem Higgs Boson vielleicht auch um ein zusammengesetzes Teilchen handeln z.B ein aus mehreren Quarks zusammengesetztes Teilchen bzw aus noch unbekannten Teilchen so das es größer ist als die anderen Teilchendes Standardmodels, also nicht mehr Punktförmig? Wenn es Strings geben sollte, sind Strings Massenlos oder haben auch sie Masse? Sind die bekannten Elementarteilchen, wenn es Strings geben sollte, immer noch Punktförmig oder sind sie dann nicht mehr Punktförmig?

Antwort
von OlliBjoern, 60

Also ich habe noch nie gelesen, dass sich ein Physiker um die "Größe" eines Elementarteilchens Gedanken gemacht hätte. Wenn es punktförmig ist, ist es einfach: die Größe ist 0. Beim (freien) Proton ist der Durchmesser 1,7 fm (Femtometer) (habe ich aber auch heute zum ersten Mal gelesen).

Beim Higgs-Boson habe ich keine Angabe gefunden.

Im Standardmodell ist das Higgs-Boson kein Quark, sondern ein eigenes Teilchen [125 GeV/c^2 ist seine Masse]. Schau mal unter "Boson" in wiki, da sind die ganzen Kameraden dargestellt.

"Strings" gehören zu einem anderen Modell, das im Gegensatz zum Standardmodell von 1-dimensionalen Linien ausgeht (optisch kann man sich das gerade bei den Gluonen gut vorstellen). Damit kann man manche Schwierigkeiten des Standardmodells mathematisch besser umgehen (und da Punkte im Prinzip stark verkürzte Strings sind, ist das Standardmodell damit auch abgedeckt, bloß ist die Stringtheorie der allgemeinere Fall m.E. nach).

Antwort
von Reggid, 59

Alle Elementarteilchen sind ja Punktförmig

im standardmodell der teilchenphysik werden sie als punktförmig angenommen. und dieses funktioniert bis heute außerordentlich gut. das muss haber nicht heißen dass die elementarteilchen punktförmig sind. möglicherweise ist ihre ausdehnung nur so gering dass man sie mit heutiger technik noch nicht auflösen kann. das auflösungsvermögen hängt mit der energie zusammen, die wir in teilchenbeschleunigern aufbringen können. mit dem LHC kommen wir dabei derzeit bis zu ca. 10^-18m

Müssten sie denn in dem Fall nicht alle gleichgroß sein, z.B Higgs Boson so groß wie das Photon?

wie gesagt: beide werden als punktförmig, ohne innere struktur oder ausdehnung angenommen.

Wie könen Physiker rausfinden wie groß ein Elementarteilchen ist bzw ob es Punktförmig ist?

in dem man vorrausagen der annahme eines punktteilchens berechnet und dann mit dem experiment vergleicht. ein beispiel ist das magnetische moment: hier stimmen z.B. beim elektron die theoretische vorhersage (unter annahme eines punktteilchens) und das experiment auf ca. 10 nachkommastellen überein. beim proton (von dem wir heute wissen, dass es kein punktteilchen ist, da es ja kein fundamentales teilchen sondern aus anderen zusammen gesetzt ist), stimmt dieser wert nicht überein.

auch in streuexperimenten, also wenn man die teilchen mit hoher energie aufeinander schießt, kann man anahand der resultate ableiten ob es eine innere struktur gibt oder nicht. wieder zeigt sich z.B: beim elektron stimmen aller vorhersagen eines fundamentalen teilchens mit dem experiment überein, beim proton sieht man bei energien von ca. 1 GeV (entspricht ca. einer ausdehnung von 10^-15m) deutliche abweichungen.

aber mit der annahme fundamentaler, punktförmiger quarks und gluonen im proton kann man die experimentellen befunde wieder sehr gut beschreiben.

Kann es Higgs Boson zB. so groß sein wie ein Proton oder so groß wie ein Atom

higgs: als fundamental angenommen, damit ausdehnung (wenn überhaupt) kleiner als unser heutiges auflösungsvermögen.

proton: nicht fundamental, ausdehnung ca. 10^15m

atom: überhaupt nicht fundamental, ausdehnung >10^-10m (kommt natülich auf das atom an).

könnte es sich bei dem Higgs Boson vielleicht auch um ein zusammengesetzes Teilchen handeln

keinerlei hinweise darauf.

ein aus mehreren Quarks zusammengesetztes Teilchen

das ganz sicher nicht. das würde zu komplett anderen eigenschaften führen.

bzw aus noch unbekannten Teilchen so das es größer ist als die anderen Teilchendes Standardmodels, also nicht mehr Punktförmig?

keinerlei hinweise darauf

Sind die bekannten Elementarteilchen, wenn es Strings geben sollte,
immer noch Punktförmig oder sind sie dann nicht mehr Punktförmig?

dann sind sie nicht mehr punktförmig.

aber auch für stringtheorie gilt heute:

keinerlei hinweise dafür.

Kommentar von Reggid ,

ein beispiel dafür wie man erkennen kann dass z.B. protonen nicht punktförmig sind.

betrachte den folgenden plot:

https://www.jlab.org/div\_dept/theory/highlight/meln\_GEM.png

es ist gar nicht so wichtig was hier auf der vertikalen achse aufgetragen ist (das verhältnis von elektrischem zu magnetischen formfaktor), wichtig ist nur, dass dieser wert für ein ideales punktteilchen exakt 1 sein müsste (gestrichelte linie)

auf der horizontalen achse ist die energie (die daten stammen streuexperimenten von elektronen an protonen)

in blau und rot sind die messwerte.

wäre ein proton wirklich ein ideales, mathematisches punktteilchen, dann müssten die messwerte von der energie unabhängig sein. denn wie schon oben geschrieben, hängt die energie mit dem auflösungsvermögen zusammen. wenn es aber ein unendlich kleiner mathematischer punkt ist, dann ändert sich an meinem bild überhaupt nichts wenn ich die aufösung erhöhre. es ist ja immer noch ein unendlich kleiner punkt.

aber: bei einer energie von ca. 1 GeV (entspricht ca. 10^-15m) sieht man plötzlich deutliche abweichungen. ab dieser energie ist die auflösung offensichtlich so gut, dass die annahme eines punktteilchens nicht mehr haltbar ist.

aber jetzt stell dir mal vor wir hätten heute keine teilchenbeschleuniger die energien von 1 GeV erreichen könnten. dann müssten wir aufgrund der messeregbnisse bis dort hin sagen: "ok, unsere messungen sind mit der annahme eines punktteilchens kompatibel. nach allen heuigen erkenntnissen macht es sinn ein proton als puntteilchen anzunhemen" (wenn wir ausblenden dass es in wirklichkeit ja noch andere hinwiese geben würde, aber die ignorien wir einfach mal). wenn die energie nicht groß genug ist, kann ich die struktur eines protons nicht auflösen und würde es daher für ein punktteilchen halten.

und genauso stellt es sich mit den heute bekannten elementaren teilchen dar: alle messungen bisher sind kompatibel mit der annahme eines punktteilchens, und daher bleibt man vorerst auch mal dabei. aber vl. ändert sich das alles wenn wir mal zugang zu größeren energien haben. wer weiß...

Antwort
von ThomasJNewton, 34

Ich unterscheide da gerne zwischen einer physikalischen und einer chemischen Sicht. Natürlich nur bei Elektronen.
Der Welle-Teilchen-Dualismus sollte dir ein Begriff sein, wie die Unschärfe.

Physikalisch wird ein Elektron als punktförmiges Teilchen angesehen, und ich bin nicht in der Lage, das irgendwie zu bestätigen oder gar anzuzweifeln.

Chemisch interessiert vor allem die Welle, also die (genauer dessen Quadrat) Aufenthaltswahrscheinlichkeit, das Orbital. Mitsamt den Knotenflächen.

Analog gilt dies sicher auch für Quarks, Hadronen und Atomkerne. Aber da stochere ich eher im Nebel. Es gibt aber auch da sowas wie die Edelgashülle, nur nennt sich das dann "Magische Zahl", getrennt für Protonen und Neutronen. DIe doppelt magische Kerne sind nicht ohne Grund häufig.

Und wegen der Unschärfe - oder der Wellen-Sicht - nehmen Teilchen/Wellen halt Platz ein, und wehrt sich durch den "Fermionendruck" gegen Kompression. Ganz alltäglich oder als Weißer Zwerg oder Neutronenstern.

Die Stingtheorien sind zwar elegant, und noch eleganter ist m.W. deren Vereinheitlichung. Aber bislang sind sie bloße Vermutungen, also treffen keine Voraussagen, die wir mit unseren Mitteln bestätigen oder widerlegen könnten.
Und spätestens hier solltest du "m.W." ernst nehmen.
Und dich etwas bescheiden. Auch ein Physiker mit Abschluss versteht wohl die Stringtheorien nicht wirklich, vermute ich. Dazu muss man die schon als Spezialgebiet wählen, einige Jahre.

Antwort
von Roderic, 27

Die Eigenschaft Größe macht bei so "kleinen" Objekten, wie es Elementarteilchen nun mal sind, keinen Sinn - und wird auch nicht so verwendet.

Nicht in dem Sinne, in dem du den Begriff "Größe" verwendest.

Es gibt den "Wirkungsquerschnitt" - eine gedachte Fläche, in der eine Wechselwirkung mit einem anderem Elementarteilchen oder Strahlung zu einem gewissen Prozentsatz...

...zu erwarten ist.

Dieser Wert wird von den meisten Nicht-Wissenschaftlern als ein Art von Größe interpretiert.  Was aber eigentlich falsch ist.

Antwort
von WarumGeld, 31

Die Teilchen selber sind  "Punktförmig", aber das Feld der Aufenthaltswahrscheinlichkeit ist je nach Teilchensorte unterschiedlich, was dann logischerweise als Größe beschrieben wird.

Antwort
von Coldnez, 56

Elementarteilchen werden glaub ich an ihrer Wellenlänge gemessen. Und wie lang eine Welle ist, müsste man mit dem Doppelspalt-experiment herausfinden können. Anhang des Musters der Interferenz lässt sich die Wellenlänge mit Hilfe der Mathematik berechnen.

Antwort
von WHISTLEBLOWER47, 2

d.ihre Masse.Higgs Boson hat ca.2.25x10hoch-25kg.,Spin 0,Und jedes andere ist entweder masselos wie die PHOTONEN und die W und Z Bosonen,oder halt mit.

Antwort
von grtgrt, 63

Ein Elementarteilchen ist eine räumlich mehr oder weniger konzentrierte Portion von Energie, die man auch als Störung eines Feldes von Kräften beschreiben kann (vergleichbar mit der Störung der ruhenden Oberfläche eines Weihers, wenn man einen Stein hineinwirft).

Lies http://greiterweb.de/zfo/Elementarteilchen.htm#msgnr0-4

Kommentar von grtgrt ,

Man weiß heute: Wo man glaubt, ein Elementarteilchen als kleinen Körper oder als Kügelchen zu beobachten, nimmt man stattdessen nur Ergebnisse seiner Wechselwirkung mit anderen Elementarteilchen wahr (vor allem Licht, das jene ausstrahlen, wenn sie Energie freisetzen, die sie während der Interaktion aufgenommen haben).

Kommentar von grtgrt ,

Unter der Größe eines Elementarteilchens versteht man

  • seinen Energiegehalt
  • oder -- nur ganz grob -- den Durchmesser einer kugelförmigen Raumregion, in dem die Wahrscheinlichkeit, dass man dort Wechselwirkung des Elementarteilchen mit anderen Elementarteilchen beobachtet, deutlich größer ist als anderswo.
Kommentar von grtgrt ,

Damit ist klar: Kein Elementarteilchen hat einen genau definierten Durchmesser. 

Am ehesten könnte man so einen noch einem Photon zuordnen, da man weiß, dass es sich als Kugelwelle mit Lichtgeschwindigkeit um die Stelle seines Entstehens herum ausbreitet (gebeugt, und damit verformt, um im Weg stehende Hindernisse herum). Des Photons Durchmesser in diesem Sinne wäre dann aber zeitabhängig.

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