Die offenen Fragen der Physik

[McWire]

Ein bisschen muss man auch aufpassen, was die Unterscheidung in virtuelle und reale Teilchen angeht:

Das eine (Erzeugung von W als reales Teilchen) geht wohl nicht ohne sehr viel Energie, während das W als virtuelles Austauschteilchen schon leichter zustande kommt.

Es entsteht dabei in jedem Fall ein reales Myon, was eine Ruhemasse von 105,7 MeV/c² besitzt. Somit müsste das Elektron immer noch auf die 212-fache Ruhemasse angeregt werden, bevor es sich über ein (W-)-Austauschteilen in ein Myon umwandeln kann.

Von alleine spontan tut es das nicht, wegen der Energie-/Masseerhaltung.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
McWire schrieb nach 3 Minuten und 7 Sekunden:

Ich glaube, die Energie allein reicht nicht. Z.B. zerfällt ein Photon mit einigen MeV Energie so weit ich weiß auch nicht völlig spontan in ein Elektron/Positron-Paar, sondern nur wenn es das elektrische Feld eines Atoms sieht, oder so ähnlich.

Wikipedia sagt dazu

Das ist ja auch etwas Interessantes: Wie aus einem Photon plötzlich zwei Fermionen mit Masse und Ladung werden.

Ein Photon kann als unteilbares Quant auch nicht zerfallen. Ein Photon ist ja nicht einmal ein Partikel im klassischen Sinne.

Das was da passiert ist einfach eine Umwandlung von Energie in Masse.

Durch die Interaktion zweier Photonen kann Masse in Form von Materie und Antimaterie entstehen. Symmetrischer Umkehrprozess zu einer Annihiliation.

[irony]

[QUOTE=McWire;2476544]Ein Photon kann als unteilbares Quant auch nicht zerfallen. Ein Photon ist ja nicht einmal ein Partikel im klassischen Sinne.

Das ist halt sehr philosophisch, wie man das sieht, was da passiert.

Zerfall ist zunächst einmal auch nur eine Redensart, mit der man sagt, dass Partikel produziert werden, die vorher nicht da waren.

Also z.B. gamma --> e- + e+

Man findet aber auch

Zerfall von Photonen beobachtet

Ergebnisse entsprechen exakt den Vorhersagen der Quantenfeldtheorie

Ein russisches Forscherteam des Budker-Instituts für Kernphysik (BINP) in Nowosibirsk hat erstmals den Zerfall eines hochenergetischen Photons in zwei niederenergetische beobachtet. Der extrem seltene Zerfall kann in den elektrischen Feldern von Atomen stattfinden und wurde bereits vor Jahrzehnten von der Quantenfeldtheorie vorhergesagt.

Der Zerfall der Gammaphotonen läuft über einen Zwischenschritt ab, bei dem ein Photon zunächst in ein virtuelles Elektron-Positron Paar zerfällt.

Das was da passiert ist einfach eine Umwandlung von Energie in Masse.

Wenn man jetzt noch die Begriffe Energie und Masse definieren könnte ... .

Durch die Interaktion zweier Photonen kann Masse in Form von Materie und Antimaterie entstehen. Symmetrischer Umkehrprozess zu einer Annihiliation.

Bei der Annihilation handelt es sich um einen Prozess, bei dem zwei oder drei Photonen entstehen. Bei der Paarbildung eines Positron/Elektronpaares unterscheidet man den Prozess Photon-Kern, wo das Photon mindestens 1.022 MeV haben muss von dem Photon-Photon-Prozess, wo beide Photonen 0.511 MeV haben müssen, oder zusammen 1.022 MeV, oder wie auch immer.

Photon-nucleus pair production can only occur if the photons have an energy exceeding twice the rest energy (mec2) of an electron (1.022 MeV), photon-photon pair production may occur at 511 KeV;

So oder so aber entstehen zwei Fermionen mehr oder weniger aus dem "Nichts". Masse und Ladung werden aus Energie erzeugt, der Spin des Photons teilt sich auf Elektron und Positron auf. Das Problem ist der Impuls, der auch erhalten bleiben muss.

[McWire]

Im Endeffekt ist keines der hier betrachteten Teilchen wirklich existent sondern nur eine bildliche Metapher. In Wahrheit sind das alles Interaktionen unterschiedlicher Quantenfelder. Nur lässt es sich als Partikel halt leichter bildlich vorstellen und vermitteln.

Ich glaube man sollte vielleicht Quantenfeldtheorie in der Schule ab Klasse 12 einführen

*/me dabei an Agent Scullie denkt*

[irony]

Im Endeffekt ist keines der hier betrachteten Teilchen wirklich existent sondern nur eine bildliche Metapher.

Das sehe ich auch so .

In Wahrheit sind das alles Interaktionen unterschiedlicher Quantenfelder. Nur lässt es sich als Partikel halt leichter bildlich vorstellen und vermitteln.

Ich glaube man sollte vielleicht Quantenfeldtheorie in der Schule ab Klasse 12 einführen

*/me dabei an Agent Scullie denkt*

. Da bin ich allerdings schon etwas skeptischer. Man sollte sich von den Erfolgen, den z.B. die QED zu verzeichnen hat, nicht verblenden lassen. Ich glaube, dass da der Karren zum Teil auch etwas festgefahren ist, sonst hätten wir schon längst eine Theory of everything mit Weltformel inclusive Quantengravitation.

Ich glaube, die großen Fortschritte werden sicher zum einen von Forschungseinrichtungen wie dem CERN, d.h. dem wissenschaftlichen Gerät wie dem LHC, aber auch von Menschen kommen, die sich von den üblichen Schemata lösen können.

Frische Denkansätze, die erst einmal auch unsinnig erscheinen, oder eben zu "bildlich" sind, können irgendwann ein neues, tieferes Verständnis ermöglichen.

Mathematik wird dabei sicher eine Rolle spielen, aber nicht die Hauptrolle. Mathematik wird dann gebraucht, wenn es um quantitative Aussagen geht, die auch experimentell evaluiert werden können.

Aber ein qualitatives Verständnis wird nicht ohne eine (neue) Metaphorik möglich sein.

[McWire]

@ transportermalfunction
Die meisten Leute sehen da eine Reaktionsgleichung wie z.B.:

Photon + Elektron -> (W-) + Neutrino
(W-) -> Myon + Antineutrino

und stellen sich dann vor, wie ein kleines Kügelchen auf ein etwas größeres Kügelchen mit einem (e-)-Zeichen zusammenstößt und daraus ein noch etwas größeres Teilchen mit einem (W-)-Zeichen entsteht, wobei ein anderes Kügelchen mit einem Ny-Zeichen davon fliegt.

Anschließend zerplatz das Kügelchen mit dem (W-)-Zeichen in ein etwas kleineres Kügelchen mit einem My-Zeichen und ein noch viel kleines mit einem (Ny-Strich)-Zeichen.

Seien wir doch mal ehrlich, dass genau dieser Film vor unserem inneren Auge abläuft, wenn wir eine solche Reaktionsgleichung bildlich interpretieren.

Alleine deine Fragestellung bezüglich der Erzeugung von Teilchenpaaren aus Photonen zeigt ja, dass diese Vorstellung, dass elementare Teilchen irgendwelche Kügelchen sind, nicht so wirklich der Realität entspricht.

Wenn man Teilchen dann über Matrizen darstellt, mit all ihren Quanteneigenschaften und Ladungen, sieht man dann auch, dass ein Elektron-Neutrino, ein Myon-Neutrino, ein Elektron, ein Photonen, die Antiteilchen dazu, etc. pp. völlig verschiedene Zustände darstellen.

Man kann nicht sagen, dass ein Neutrino und ein Elektron das gleiche sind, weil da mehr Unterschied als nur Masse und Ladung dazwischen liegt. Es ist eine völlig andere Quantenfeldkonstruktion.

Aber ich bin natürlich, da ich keine Physik studiert habe und auf dem Gebiet der höheren Mathematik überfragt bin, auch die Vorstellung mit den Kügelchen.

[irony]

Man kann nicht sagen, dass ein Neutrino und ein Elektron das gleiche sind, weil da mehr Unterschied als nur Masse und Ladung dazwischen liegt. Es ist eine völlig andere Quantenfeldkonstruktion.

Sollen wir nun über Konstruktivismus reden? Es stimmt schon, dass Neutrinos und Elektronen Konstruktionen sind. Über die wirklichen Teilchen wissen wir eigentlich gar nichts. Unser Wissen geht über unsere Konstruktionen nicht hinaus.

Interessant ist z.B. das Buch "Quantum Field Theory of Many-Body Systems: From the Origin of Sound to an Origin of Light and Electrons" von Xiao-Gang Wen. Neutrinos kommen darin nicht vor, aber es gibt ein paar interessante Aussagen im Vorwort und auf den ersten Seiten (mehr habe ich nicht gelesen ).

EDIT: Irgendwie wird da wohl erklärt, was Elektronen und Photonen sein könnten.

Letztlich wird es wohl so sein, dass man ein paar Dimensionen hinzunehmen muss, um die Relativitätstheorie mit der Quantenfeldtheorie zu synthetisieren. An Stringtheorie glaube ich zwar nicht, aber an Vierer-Vektoren, Propagatoren usw. auch nicht.

Das ist alles noch zu krude formuliert, vorausgreifende Randerscheinungen einer umfassenderen Theorie, die wir noch nicht haben, in der die Zeit auch nicht länger als Parameter erscheint.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
transportermalfunction schrieb nach 1 Stunde, 16 Minuten und 36 Sekunden:

Eine von mir favorisierte Richtung ist die Schleifen-Quantengravitation, siehe Loop quantum gravity - Wikipedia, the free encyclopedia

Besonders wegen:

While originally developed in order to quantize vacuum general relativity in 3+1 dimensions, the formalism can accommodate arbitrary spacetime dimensionalities, fermions,[5] an arbitrary gauge group (or even quantum group), and supersymmetry

Allerdings geht es da auch nicht so recht voran. Wie Elementarteilchen wie z.B. Elektron und Neutrino integriert werden, sehe ich noch nicht. Und von Supersymmetry habe ich auch noch keine Ahnung. Aber ich clicke mich halt bei Wikipedia so durch. Mal auf den englischen, mal auf den deutschen Seiten. Geld für naturwissenschaftliche Bücher habe ich schon sehr lange nicht mehr ausgegeben.

[Agent Scullie]

Dass es drei verschiedene Neutrinos gibt, die sich in einander umwandeln, was heißt das? Das heißt doch offenbar nur, dass ein und dasselbe Neutrino jeweils nur in einem anderen Anfangszustand erzeugt wird.

nein, heißt es nicht. Dass zwei (oder drei) Teilchenarten ineinander umwandelbar sind, sagt erstmal nichts darüber aus, ob es sich nun tatsächlich um drei verschiedene Teilchenarten oder lediglich um eine einzige Teilchenart, die in zwei (drei) Zuständen vorkommen kann, handelt.

Nimm als Beispiel die Theorie der elektroschwachen WW. In der werden Elektron und Elektron-Neutrino (und analog Myon und Myon-Neutrino sowie Tauon und Tauon-Neutrino) als zwei Zustände eines einzigen Teilchens, charakterisiert durch den schwachen Isospin (+1/2 für das Elektron, -1/2 für das Neutrino), behandelt. Motivation hierfür ist aber nicht, dass die beiden ineinander umgewandelt werden können, sondern dass die elektroschwache WW durch eine SU(2)-Symmetrie beschreibbar ist, was erfordert, dass die daran koppelnden Teilchen durch Zweiervektoren beschreibbar sein müssen. Das ist dann so implementiert, dass das Elektron der einen Komponente dieses Vektors entspricht und das Neutrino der anderen.

Man hofft darauf, in einer großen vereinheitlichten Theorie alle bekannten Elementarteilchen in ähnlicher Weise auf ein einziges Teilchen zurückführen zu können. Das würde dann auch implizieren, dass alle drei Neutrinos verschiedene Zustände desselben Teilchens wären.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 56 Minuten und 47 Sekunden:

Offenbar ist aber die Masse das eigentliche Asymmetrie erzeugende Element, das verhindert, Elektronen oszillieren, also Elektronen sich in Myonen und diese wieder zurückverwandeln usw.

in der Tat hängt Masse eng mit Asymmetrien zusammen. Die unterschiedliche Masse von Elektron und Elektron-Neutrino steht z.B. in Zusammenhang mit der Brechung der elektroschwachen SU(2)-Symmetrie. Sie ist aber nicht selbst das symmetriebrechende Element: im Zustand ungebrochener SU(2)-Symmetrie haben Elektron und Neutrino die gleiche Masse, erst mit der Symmetriebrechung werden die Massen unterschiedlich. Der gängige Erklärungsansatz hierfür ist der Higgs-Mechanismus.

Ladung hingegen ist etwas Hochsymmetrisches, da nicht nur Elektron und Myon exakt gleiche Ladung haben, sondern sogar das aus drei Teilchen zusammengesetzte Proton dem Betrag nach exakt die gleiche Ladung aufweist, aber eine völlig verschiedene Masse hat.

das hängt von den gemeinsam betrachteten Teilchen ab. Bei Elektron und Elektron-Neutrino ist die Ladung eher ein asymmetrischer Aspekt, da unterschiedlich. In der elektroschwachen Theorie sieht das so aus, dass die elektrische Ladung als messbare Größe nur im Zustand gebrochener Symmetrie auftritt. Im Zustand ungebrochener Symmetrie gibt es stattdessen eine elektroschwache Ladung, die bei Elektron und Neutrino gleich ist.

Eine vereinheitlichte Theorie, die z.B. Elektronen, Myonen und Tauonen, oder sogar noch Quarks, vereinheitlichen wollte, müsste die elektroschwache Theorie enthalten, da diese mittlerweile experimentell gesichert ist, sie könnte daher nicht die elektrische Ladung als verbindendes Symmetrieelement verwenden. Sie könnte also z.B. nicht Elektron, Myon und Tauon als ein einziges Teilchen und das Neutrino als ein anderes Teilchen behandeln, da sie in Widerspruch zur elektroschwachen Theorie treten würde.

Möglicherweise gibt es überhaupt nur zwei echte fermionische Elementarteilchen in verschiedenen Zuständen: Das Quark, das Lepton (= Elektron/Myon/Neutrino, alles eins).

schauen wir uns mal die bisherige Theorienbildung dazu an:
nach der schon erläuterten elektroschwachen Theorie werden jeweils Elektron und Elektron-Neutrino, Myon und Myon-Neutrino, Tauon und Tauon-Neutrino, up- und down-Quark, strange- und charme-Quark, sowie bottom- und top-Quark als ein einziges Teilchen betrachtet.
In der in den 70er Jahren entwickelten SU(5)-GUT wurden dann die Teilchen generationenweise vereint, d.h. ein Elektron und ein up-Quark wären demnach zwei Zustände eines Teilchens, während ein Myon oder ein strange-Quark ein anderes Teilchen wäre.
Wie man sieht, ist die von dir favorisierte Verwendung der elektrischen Ladung als verbindendes Symmetrieelement nicht gängig. Ebenso vereinheitlicht man die Teilchen im Generationenschema eher horizontal als vertikal, wie es dir vorschwebt.

Hinzu kommen noch Austauschteilchen wie das Photon und W+/W-/Z0, wobei interessanter Weise ein Photon auch in zwei Fermionen zerfallen kann, also z.B. Elektron-Positron-Paare (wo kommen die her?)

ein einzelnes Photon "zerfällt" nicht in ein Elektron-Positron-Paar. Für die Paarbildung muss schon noch ein zweites Photon oder ein externes EM-Feld vorhanden sein. Ein einzelnes Photon hat zwar eine Selbstenergie, deren Feynman-Diagramm ein Teilchen-Antiteilchen-Paar enthält, das entsteht und wieder verschwindet, es ist jedoch nicht korrekt, Feynman-Diagramme bildlich zu interpretieren. Die Selbstenergie des Photons ist ein Resultat der Kopplung des EM-Feldes an Materiefelder, die anschauliche Vorstellung einer vorübergehenden Umwandlung des Photons in ein Teilchenpaar ist falsch.

Hm. Man könnte aber auch argumentieren, dass ein Elektron (e-) in Wirklichkeit eine Art "W-" ist, das zwei Neutrinos enthält, und dieses "W-/e-" zuerst ein Neutrino abstrahlt und dann als instabiles Teilchen weiter zerfällt.

du scheinst noch immer Schwierigkeiten mit der Vorstellung zu haben, dass sich Teilchen ineinander umwandeln können. Kleiner Hinweis: du hast dich ja als Anhänger der LQG geoutet, diese jedoch implementiert die QFT, mit der du so große Schwierigkeiten hast. Auch wenn die Felder dann nicht mehr auf einem Kontinuum, sondern auf einem diskreten Raum definiert sind.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 14 Minuten und 35 Sekunden:

So, und jetzt noch mal Provozierendes.

da bin ich ja mal gespannt.

A) Ich sage mal, dass W+/W-/Z0 und das Photon ein und dasselbe Teilchen in vier verschiedenen Zuständen ist.

auch das findet sich so ähnlich in der elektroschwachen Theorie wieder. In der gibt es drei SU(2)-Felder, W+, W- und W0, und ein U(1)-Feld V0. W+ und W- treten einfach als solche auf, W0 und V0 dagegen nur als Mischung: beide zusammen ergeben das Z0-Feld und das EM-Feld. Das Z0-Boson und das Photon sind somit beides Mischungen aus einem W0- und einem V0-Boson.

Dazu reicht dann aber die kinetische Energie, die der Ruhemasse des W-, also etwa 80 Gev/c2 entspricht.

das tut sie aus dem von dir selbst genannten Grund eben nicht:

Interessant ist dabei die Frage, ob man nicht durch eine Lorentztransformation immer ein Bezugssystem finden kann, in dem das Elektron diese kinetische Energie besitzt.

eben weil sich so eines immer findet, findet sich umgekehrt auch immer ein Bezugssystem, in dem die kinetische Energie viel kleiner ist. In einem solchen Bezugssystem würde die Erzeugung des Myons aus dem Elektron die Energieerhaltung verletzen, daher kann sie nicht auftreten. In jedem anderen Bezugssystem kann sie dann ebenfalls nicht auftreten (welche Prozesse ablaufen und welche nicht, ist bezugssystemunabhängig).

Ganz abgesehen davon, dass neben der Energieerhaltung auch noch die Impulserhaltung erfüllt sein muss:
Angenommen, das Elektron hat eine kinetische Energie, die der Masse eines Myons entspricht. Wenn sich jetzt das Elektron in ein Myon umwandelt, müsste die Energie für die Erzeugung des Myons der kinetischen Energie des Elektrons entzogen werden. Das würde dazu führen, dass das Myon anschließend viel weniger kinetische Energie hätte als zuvor das Elektron und somit viel langsamer wäre. Und das würde gegen die Impulserhaltung verstoßen.

Und, wo ist nun das Provozierende, das du eingangs versprochen hast? Hast du es vergessen?


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 10 Minuten und 47 Sekunden:

Das ist ja auch etwas Interessantes: Wie aus einem Photon plötzlich zwei Fermionen mit Masse und Ladung werden.

aus einem Photon wird da gar nichts. Da sind entweder zwei Photonen im Spiel oder ein Photon und ein externes EM-Feld. Nehmen wir den einfacheren Fall, zwei Photonen:
dass aus zwei Teilchen mit Masse null zwei Teilchen mit Masse ungleich null werden, ist simple relativistische Mechanik. Dass aus zwei Teilchen mit Ladung null zwei Teilchen je positiver und negativer Ladung werden, ist einfache Ladungserhaltung (die Ladungen der beiden Teilchen summieren sich zu null). Dass aus zwei Teilchen mit Spin 1 zwei Teilchen mit Spin 1/2 werden, ist simple Drehimpulserhaltung (+1-1 = +1/2-1/2). Alles weitere an dem Prozess ist Sache der QFT.

Im anderen Fall, ein Photon und ein externes EM-Feld, übernimmt quasi das externe Feld die Rolle des zweiten Photons.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 11 Minuten und 7 Sekunden:

Wenn man jetzt noch die Begriffe Energie und Masse definieren könnte ... .

in der relativistischen Mechanik besitzt jedes Objekt einen Viererimpulsvektor p^mu. Dessen drei räumlichen Komponenten p^1, p^2, p^3 entsprechen dem aus der klassischen Physik bekannten Dreierimpulsvektor (p_x, p_y, p_z), die zeitliche Komponente p^0 ist die Energie: p^0 = E/c. Die Länge des Viererimpulsvektors ist die Masse:

mc = sqrt(p^mu p_mu) = sqrt((p^0)^2 - (p^1) - (p^2)^2 - (p^3)^2)

= sqrt((E/c)^2 - p^2)

wobei in der letzten Zeile p^2 für das Quadrat des Dreierimpulses steht: p^2 = p_x^2 + p_y^2 + p_z^2.

So oder so aber entstehen zwei Fermionen mehr oder weniger aus dem "Nichts".

sofern man die QFT ignoriert

Masse und Ladung werden aus Energie erzeugt

die Ladung eher nicht.

der Spin des Photons teilt sich auf Elektron und Positron auf.

wenn du den Fall Photon + externes Feld betrachten willst, musst du natürlich auch noch den Spin des Feldes berücksichtigen.

Das Problem ist der Impuls, der auch erhalten bleiben muss.

inwiefern ist das ein Problem?


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Agent Scullie schrieb nach 8 Minuten und 52 Sekunden:

Wenn man Teilchen dann über Matrizen darstellt, mit all ihren Quanteneigenschaften und Ladungen, sieht man dann auch, dass ein Elektron-Neutrino, ein Myon-Neutrino, ein Elektron, ein Photonen, die Antiteilchen dazu, etc. pp. völlig verschiedene Zustände darstellen.

wo stellt man denn Teilchen über Matrizen dar?

Man kann nicht sagen, dass ein Neutrino und ein Elektron das gleiche sind, weil da mehr Unterschied als nur Masse und Ladung dazwischen liegt. Es ist eine völlig andere Quantenfeldkonstruktion.

nun, in der Theorie der elektroschwachen WW ist die Quantenfeldkonstruktion von Elektron und Neutrino durchaus sehr ähnlich

[McWire]

wo stellt man denn Teilchen über Matrizen dar?

Ich kenne ein Buch über Elementarteilchenphysik, wo die Teilchen über Masse, Ladung, Spin, Isospin in einer Matrix oder einer matrixähnlichen Darstellung beschrieben wurden.

nun, in der Theorie der elektroschwachen WW ist die Quantenfeldkonstruktion von Elektron und Neutrino durchaus sehr ähnlich

Das mag im konkreten Fall in der konkreten Darstellung so sein. Dieser Grundsatz gilt aber nicht universell. Es war eher nur eine überspitzte Antwort auf die Darstellung von transportermalfunction und erhebt kein Anspruch auf universelle Richtigkeit

[irony]

Das mag im konkreten Fall in der konkreten Darstellung so sein. Dieser Grundsatz gilt aber nicht universell. Es war eher nur eine überspitzte Antwort auf die Darstellung von transportermalfunction und erhebt kein Anspruch auf universelle Richtigkeit

Im Grunde sehe ich es ja auch so ähnlich wie du. Von mir wird da auch kein großer Widerspruch kommen.

eben weil sich so eines immer findet, findet sich umgekehrt auch immer ein Bezugssystem, in dem die kinetische Energie viel kleiner ist. In einem solchen Bezugssystem würde die Erzeugung des Myons aus dem Elektron die Energieerhaltung verletzen, daher kann sie nicht auftreten. In jedem anderen Bezugssystem kann sie dann ebenfalls nicht auftreten (welche Prozesse ablaufen und welche nicht, ist bezugssystemunabhängig).

Ganz abgesehen davon, dass neben der Energieerhaltung auch noch die Impulserhaltung erfüllt sein muss:
Angenommen, das Elektron hat eine kinetische Energie, die der Masse eines Myons entspricht. Wenn sich jetzt das Elektron in ein Myon umwandelt, müsste die Energie für die Erzeugung des Myons der kinetischen Energie des Elektrons entzogen werden. Das würde dazu führen, dass das Myon anschließend viel weniger kinetische Energie hätte als zuvor das Elektron und somit viel langsamer wäre. Und das würde gegen die Impulserhaltung verstoßen.

Woher kommt dann die Energie, mittels derer ein Elektron zu einem Myon wird? Oder anders gesagt, woher kommt die Masse des Myons?

So wie ich McWire verstanden habe, wird das Elektron beschleunigt, sein kinetische Energie nimmt dabei zu. Und wenn die kinetische Energie die Differenz aus Gesamtenergie und Ruheenergie ist, dann ist doch die Gesamtenergie eines Teilchens gleich der Summe aus kinetischer Energie und Ruheenergie. Die Ruheenergie aber ist, solange das Elektron existiert, als mc2 doch konstant.

[McWire]

I
So wie ich McWire verstanden habe, wird das Elektron beschleunigt, sein kinetische Energie nimmt dabei zu.

Nein eigentlich bin ich von einer Wechselwirkung des Elektron mit einem Photon ausgegangen, also einer äußeren Anregung.

Das was ich da in () zur Beschleunigung gesagt habe, hat Agent Scullie durch die Impulserhaltung widerlegt, daher ist das nun gegenstandslos.

[irony]

Nein eigentlich bin ich von einer Wechselwirkung des Elektron mit einem Photon ausgegangen, also einer äußeren Anregung.

Finde ich interessant, aber ich kann es mir noch nicht so recht vorstellen. Ich weiß, dass ein Elektron von einem Röntgenphoton z.B. aus der K-Schale eines Atoms entfernt werden kann, aber dabei wird kein Myon erzeugt. Ist es möglich, dass ein 110 MeV-Photon von einem Elektron absorbiert werden kann?

Das was ich da in () zur Beschleunigung gesagt habe, hat Agent Scullie durch die Impulserhaltung widerlegt, daher ist das nun gegenstandslos.

Teilchenbeschleuniger - Wikipedia sagt folgendes:

Ein Teilchenbeschleuniger ist ein Gerät, in dem geladene Teilchen (z. B. Elementarteilchen, Atomkerne oder ionisierte Atome, Moleküle) durch elektrische Felder auf große Geschwindigkeiten beschleunigt werden.

Je nach Teilchenart und Beschleunigertyp kann annähernd Lichtgeschwindigkeit erreicht werden, und die Teilchen erlangen eine Bewegungsenergie (kinetische Energie), die einem Vielfachen ihrer eigenen Ruheenergie entspricht.

Ruhesystem hin oder her, die gewonnene kinetische Energie ist kein Phantasieprodukt. Natürlich kann man argumentieren, dass bei der Teilchenbeschleunigung die relativistische Masse eines Elektrons erhöht wird, aber das kommt einer Erhöhung der kinetischen Energie, die nahe der Lichtgeschwindigkeit eine beachtliche träge Masse erhält, ziemlich gleich.

[McWire]

Finde ich interessant, aber ich kann es mir noch nicht so recht vorstellen. Ich weiß, dass ein Elektron von einem Röntgenphoton z.B. aus der K-Schale eines Atoms entfernt werden kann, aber dabei wird kein Myon erzeugt. Ist es möglich, dass ein 110 MeV-Photon von einem Elektron absorbiert werden kann?



Teilchenbeschleuniger - Wikipedia sagt folgendes:
Ruhesystem hin oder her, die gewonnene kinetische Energie ist kein Phantasieprodukt. Natürlich kann man argumentieren, dass bei der Teilchenbeschleunigung die relativistische Masse eines Elektrons erhöht wird, aber das kommt einer Erhöhung der kinetischen Energie, die nahe der Lichtgeschwindigkeit eine beachtliche träge Masse erhält, ziemlich gleich.

Allerdings wandelt sich ein Teilchen nicht spontan um, nur weil es eine höhere kinetische Energie hat. Das Elektron bleibt im Beschleuniger solange ein Elektron, bis es mit irgendetwas anderem kollidiert.

Erst die Kollision mit einem anderen Partikel erzeugt doch erst die neuen Teilchen.

Das entscheidende Element bei der Umwandlung von Partikel ist die Wechselwirkung. Daher kann sich ein Photon auch nicht spontan in Materie umwandeln.

[irony]

inwiefern ist das ein Problem?

Wenn die Energie des Photons nur für die Erzeugung eines Positron-Elektron-Paares reicht, diese beiden Teilchen aber keine kinetische Energie und keinen Impuls mehr hätten, muss irgendwo noch der Impuls des Photons untergebracht werden. So argumentiert jedenfalls Wikipedia:

However, if the photon only just had enough energy to create the mass of the electron-positron pair then the electron and positron will be at rest. This could violate the conservation of momentum since the photon has momentum and the two resulting electrons have none if they are stationary (since momentum = mass x velocity). This means that the pair production must take place near another photon or the nucleus of at atom since they can absorb the momentum of the original photon i.e since the momentum of the initial photon must be absorbed by something, pair production cannot occur in empty space out of a single photon; the nucleus (or another photon) is needed to conserve both momentum and energy

Siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Pair_production

Allerdings wandelt sich ein Teilchen nicht spontan um, nur weil es eine höhere kinetische Energie hat. Das Elektron bleibt im Beschleuniger solange ein Elektron, bis es mit irgendetwas anderem kollidiert.

Erst die Kollision mit einem anderen Partikel erzeugt doch erst die neuen Teilchen.

Das sehe ich auch so. Deswegen erzeugt man ja sehr viele Teilchen durch Elektron-Positron-Kollisionen, z.B. ein Myon-Antimyon-Paar. Hättest du das geschrieben, hätte ich dir das auch sofort abgekauft.

Nicht so klar ist mir, wie sich ein energiereiches Elektron in ein Myon verwandelt. Ohne Teilchenbeschleunigung (und/oder Zusammenstoß mit einem Positron) geht das anscheinend nicht. Die Energie zur Umwandlung kommt doch aus dem Teilchenbeschleuniger. Und welche Rolle spielt nun das Photon?

Hast du dazu irgendwo ein Feynman-Diagramm? Oder sonst irgendetwas, wo der Prozess Elektron --> Myon usw. beschrieben wird?

[McWire]

Hast du dazu irgendwo ein Feynman-Diagramm? Oder sonst irgendetwas, wo der Prozess Elektron --> Myon usw. beschrieben wird?

Nach der Impulserhaltungsproblem bin ich geneigt zu sagen, dass das nicht geht.

Scheinbar geht die direkte Umwandlung von erster in zweiter oder zweiter in dritter Generation in diese Richtung nicht so ohne weiteres.

Soll heißen, dass sich zwar ein Tauon in ein Myon, ein Myon in ein Elektron, aber kein Elektron in ein Myon oder ein Myon in ein Tauon auf direktem Wege umwandeln kann. Es wird wohl immer nur über den Umweg der schwachen Wechselwirkung, also den W- und Z-Bosonen gehen.

Genauso spielen diese Bosonen ja auch beim Beta-Zerfall eine Rolle.

Dort wandelt sich ein up- oder down-Quark in ein down- oder up-Quark um, wobei es W-Boson freigesetzt wird, dass je nach Ladung dann in ein Elektron oder Positron plus Antineutrino oder Neutrino zerfällt.

[irony]

Nach der Impulserhaltungsproblem bin ich geneigt zu sagen, dass das nicht geht.

Scheinbar geht die direkte Umwandlung von erster in zweiter oder zweiter in dritter Generation in diese Richtung nicht so ohne weiteres.

Soll heißen, dass sich zwar ein Tauon in ein Myon, ein Myon in ein Elektron, aber kein Elektron in ein Myon oder ein Myon in ein Tauon auf direktem Wege umwandeln kann. Es wird wohl immer nur über den Umweg der schwachen Wechselwirkung, also den W- und Z-Bosonen gehen.

Genauso spielen diese Bosonen ja auch beim Beta-Zerfall eine Rolle.

Dort wandelt sich ein up- oder down-Quark in ein down- oder up-Quark um, wobei es W-Boson freigesetzt wird, dass je nach Ladung dann in ein Elektron oder Positron plus Antineutrino oder Neutrino zerfällt.

Soweit leuchtet mir das auch ein.

Zum Thema Impulserhaltung und Lorentztransformation (auch kein ganz leichtes Thema ) fällt mir noch ein, dass sich wenn sich ein Elektron und ein Positron in einem Teilchenbeschleuniger auf einer Kreisbahn befinden, die sie in entgegengesetzter Richtung durchlaufen, wohl keine Lorentztransformation in ein System finden lässt, wo beide Teilchen zugleich in Ruhe sind. Dann gibt es auf jeden Fall eine ganze Menge kinetische Energie.