Warum erlauben Teilchenbeschleuniger einen Einblick in die Hochenergie/Teilchenphysik

[Cordess]

Das ist jetzt vielleicht eine blöde Frage, aber ich würde es jetzt doch dennoch gerne mal ganz genau wissen.
Warum erlauben Teilchenbeschleuniger einen besseren Einblick in das Verständnis über die kleinsten Elementarteilchen?

Oder anders gefragt, inwiefern wirkt sich das Beschleunigen von kleinen Teilchen auf hohe Energien auf ein besseres Verständnis über diese aus?

Ein explizitäs Beispiel aus der Praxis woran man sieht, daß das Beschleunigen eines Teilchens neue Erkenntnisse gebracht haben, wäre auch nicht schlecht.

[McWire]

Es geht ja beim Teilchenbeschleuniger nicht primär um die Beschleunigung von Teilchen... das ist nur Mittel zum Zweck.

Es geht darum, dass bei hochenergetischen Kollisionen zwischen Atomen oder Elementarteilchen diese Teilchen in Bruchstücke zerlegt werden und man anhand der entstandenen Spuren der ziemlich kurzlebigen Bruchstückteilchen auf den Aufbau der Teilchen schließen kann, die man aufeinander geschossen hat.

Es ist quasi so wie wenn du 2 Eier mit einer Kanone zusammenschießt um zu sehen was deren Inhalt ist, da du mit normalen Mitteln nicht durch die Schale schauen kannst.
Eine bessere Analogie fällt mir jetzt zur späten Stunde nicht mehr ein.

Ein konkretes Praxisbeispiel fällt mir jetzt nicht ein, aber nur um es mal auf den Punkt zu bringen... alleine mit diesen Kollisionsergebnisen hat man mehr als 200 neue Partikel gefunden, woraus man abgeleitet hat, das Elektronen scheinbar wirklich elementar sein und Protonen und Neutronen aus sogenannten Quarks bestehen.
Durch die Quarks und deren Untersuchung hat man die starke und schwache Kernkraft experimentell bestätigt.
Außerdem hat man bewiesen das es Antimaterie gibt, da man zu vielen Teilchen im Kollisionsexperiment auch die dazugehörigen Antiteilchen nachgewiesen hat.
Particle Data Group
(Hier findet man eine Liste aller bisher entdeckten oder vermuteten Teilchen bis zum Jahr 2007)

[Mondkalb]

Es geht nicht nur um "Bruchstücke" sondern auch darum, dass die kinetische Energie der Teilchen beim Zusammenstoß kurzfristig zur Bildung von neuen Teilchen führt. Diese existieren nur für sehr kurze Zeit und sind deshalb normalerweise nicht zu beobachten, weil sie gleich wieder in weitere Teilchen zerfallen.
Auch daraus kann man Schlüsse über Teilchen und Kräfte ziehen, die dazu dienen, Modelle über die Zusammenhänge zu bestätigen oder zu wiederlegen.

So sagen z. B. manche Teilchentheorien die Existenz von bestimmten Teilchen voraus. Diese Teilchen sind meistens vergleichsweise schwer, weshalb sie nur bei Zusammenstößen mit sehr hohen Energien entstehen können. Findet man dann solche Teilchen, sind sie ein Puzzlestein zur Bestätigung oder Widerlegung von Theorien.

[McWire]

Ja, dass mit den Bruchstücken war eher eine bildliche Laienerklärung... ich weiß ja nicht inwieweit der Fragesteller in Teilchenphysik Einblick hat.

Eigentlich dienen Hochenergiekollisionen ja vielmehr der Erzeugung Teilchen mit hohen Massen oder hohen Ressoanzenergien... warum sie ja auch eine so kurze Lebensdauer haben.
Bei einer solchen Kollision entsteht quasi reine Energie die sich dann in Teilchen-Antiteilchen-Paaren kurzfristig manifestiert, die dann entweder wieder rekombinieren oder in mehr oder weniger langen Zerfallsketten sich in stabile Teilchen zurückverwandeln.

Jedenfalls ist das Beschleuningen der Teilchen, also der Vorgang nur ein Handwerkszeug und nicht der eigentliche Grund der Forschung

[Floore]

Die Teilchenbeschleuniger sind ein Mittel, die der Teilchenphysik zugrunde liegenden Theorien zu überprüfen. Je höher die Energien sind, mit denen zwei Teilchen aufeinander stoßen, desto tiefer kann man in die Materie hineingucken. Wie die anderen schon beschrieben haben, diese Teilchen sind enorm schnell, sie haben Geschwindigkeiten, die nur knapp unter der Lichtgeschwindigkeit liegen. Stoßen diese Teilchen zusammen, dann wird diese Energie schlagartig freigesetzt und umgewandelt und es entstehen jede Menge neue Teilchen, wegen der Masse-Energie-Äquivalenz. Diese verschwinden aber in der Regel sofort wieder, weil sie sofort wieder zerfallen.

Die Teilchenphysik versucht dabei vorherzusagen, welche Teilchen entstehen, das tut sie mit Hilfe drei der vier großen Wechselwirkungen, der elektromagnetischen WW, der starken und der schwachen Kernkraft. Jetzt hofft man natürlich, dass der Teilchenbeschleuniger die Ergebnisse liefert, die die Theorie vorhergesagt hat, oder man findet irgendetwas neues und versucht es zu erklären.

Das ist zwar nicht wirklich neu, aber für ein sehr wichtiges Ereignis halte ich die Entdeckung des Z-Bosons. Das ist ein Teilchen, dass bei der schwachen WW eine Rolle spielt. Aufgrund der Eigenschaften dieses Teilchen konnte man viel über die schwache Kraft herausfinden. Z.B. lässt sich anhand der Breite der Resonanz herleiten, dass es tatsächlich nur drei Neutrino-Generationen geben kann und nicht noch irgendwo ein viertes Neutrino herumgeistert.

Je höher die Energien des Beschleunigers sind, desto tiefer kann man in den Aufbau der Materie hineinschauen. Vom CERN erhofft man sich in erster Linie, dass dort das Higgs-Teilchen gefunden wird, welches erklären würde, warum all die anderen Elementarteilchen überhaupt eine Masse haben. Kühne Überlegungen gehen sogar davon aus, dass man eventuell Aussagen über die Raumstrucktur an sich machen könnte, von wegen mehr als drei Raumdimensionen usw. Aber damit wäre ich vorsichtig, es wäre schön, wenn LHC da Erkenntnisse bringen würde, aber wirklich damit rechnen tut, glaube ich, niemand.

[EREIGNISHORIZONT]

Ah schön...ich liebe Frage Threads!!

Da muss gleich eine weitere Frage einwerfen.

Diese Suche nach der dunklen Energie...früher ja als dunkle Materie bezeichnet, richtig?
Haben Teilchenbeschleuniger auch damit was zu tun? Also werden die eingestzt um auch diese Dunkle Energie nachzuweisen?

[Mondkalb]

Das sind zwei verschiedene Dinge.
Dunkle Materie, über deren Natur man außer Vermutungen nichts weiß, ist dafür verantwortlich, dass die Galaxien nicht auseinanderfliegen - was sie bei ihrer Ratationsgeschwindigkeit und angesichts des Anteils der beobachtbaren Materie eigentlich tun müssten.
Es wird eventuell möglich sein, mit dem LHC bestimmte vermutete Bestandteile der dunklen Materie nachzuweisen.
Dunkle Materie - Wikipedia

Die Dunkle Energie ist dafür verantwortlich, dass das Universum sich immer schneller auszudehnen scheint.
Dunkle Energie - Wikipedia

Eventuell haben beide etwas miteinander zu tun, aber das weiß bisher niemand.

[EREIGNISHORIZONT]

Dann habe ich das falsch verstanden in einer Doku der BBC. Meinte, dass die da von Dunkler Energie geredet haben und dass die Physiker sich inzwischen mehr auf die Suche nach dieser begeben, weil somit auch die dunkle Materie erklärt würde. Dennoch danke!!

[Bynaus]

Wie Mondkalb schon andeutete, gibt es schon einige Erklärungsansätze, die versuchen, beides in einem Aufwisch zu erklären, etwa über modifizierte Gravitationsgesetze. Zur Suche nach DM-Teilchen - mit anderen Methoden als mit dem LHC - gab es letzthin einen Bericht auf Physics World:

Bubble chamber puts new constraints on WIMPs - physicsworld.com

Man muss sich allerdings (kostenlos) anmelden, um den Artikel zu lesen.

[Floore]

Wie Mondkalb schon andeutete, gibt es schon einige Erklärungsansätze, die versuchen, beides in einem Aufwisch zu erklären, etwa über modifizierte Gravitationsgesetze. Zur Suche nach DM-Teilchen - mit anderen Methoden als mit dem LHC - gab es letzthin einen Bericht auf Physics World.

Du meinst MOND (Modified Newton Dynamic)?

Ich glaube, als ein möglicher Kanditat für die dunkle Materie gilt das Neutralino, das leichteste Susy-Teilchen, wäre auch möglich, dass man es am LHC findet. Also, falls an Susy was dran ist.

[Bynaus]

Du meinst MOND (Modified Newton Dynamic)?

Die relativistische Erweiterung von MOND durch Beckenstein, ja, zum Beispiel. Oder die MOG von Matloff.

Es gibt noch andere gute Kandidaten für dunkle Materie, aber ausserhalb der Teilchenphysik. Einer meiner Favoriten wären primordiale Schwarze Löcher (also solche, die beim Urknall entstanden und die Masse eines kleinen Asteroiden auf sich vereinen).

[McWire]

Ab morgen um 9 Uhr kann man das erste LHC-Experiment live verfolgen: Live webcast

[Cordess]

Z.B. lässt sich anhand der Breite der Resonanz herleiten, dass es tatsächlich nur drei Neutrino-Generationen geben kann und nicht noch irgendwo ein viertes Neutrino herumgeistert.

Ist das definitiv ganz sicher daß es maximal nur 3 Arten von Neutrino Teilchen geben kann?

Ich frage deswegen, da die kaum begutachtete Heim Theorie ein 4. und 5. Neutrino Teilchen vorraussagt.
Und auf der englischen Wikipedia Seite steht dazu,
daß man durch den Large Electron-Positron Collider die Existenz solcher Neutrino Teilchen auch aussschließen kann, aber nur solange die Teilchen keine größere Masse als 45000 MeV/c² haben.
Ich schätze mal, daß man mit dem LEP hier an die Grenzen gestoßen ist
und nicht bei höheren Energien messen konnte.

Aber du sagst ja jetzt oben, daß es kein 4. und 5. Neutrino Teilchen geben könnte.
Was stimmt denn jetzt nun?
Und bitte jetzt nicht als Antwort solche Sachen wie z.B., daß die Heim Theorie ja kaum begutachtet worden sei, das würde ich nicht als Antwort werten sondern als ausweichen zur Frage.


Hier steht das mit den 45000 MeV/c² in der Tabelle:
Heim theory - Wikipedia, the free encyclopedia

Vom CERN erhofft man sich in erster Linie, dass dort das Higgs-Teilchen gefunden wird, welches erklären würde, warum all die anderen Elementarteilchen überhaupt eine Masse haben.

Wenn man das Higgs-Teilchen nicht finden würde, dann wäre das übrigens ein Indiz für die Heim Theorie, denn diese braucht das Higgs Teilchen nicht, aber sie schließt es auch nicht ganz aus.


Anders sieht es aus bei der Supersymmetrie, wenn man die mit dem LHC findet, bzw. ein Teilchen davon, wie z.b. das Lightest Supersymmetric Particle, dann ist die Heim Theorie kein Thema mehr.
Wenn dem aber nicht so ist, dann ist die Stringtheorie vom Tisch und die Heim Theorie würde gestärkt werden.


Zwar kann man das was man jetzt nun wirklich findet nicht beeinflußen,
aber ich hoffe oder drücke mal die Daumen, daß man keine Supersymmetrie
findet, denn die Heim Theorie enthält als einzige bekannte Theorie
eine Möglichkeit eine künstliche Gravitation zu erzeugen.
Damit wären dann Weltraumflüge zum Mars und den nächsten Sternen in wenigen Stunden oder Wochen möglich ohne dabei die Relativitätstheorie zu verletzten.
Die Heim Theorie baut auf der RT auf und macht bei ihr weiter, die bisher nur theoretisch erdachte Quantentheorie gehört da übrigens nicht dazu, die QT und Heim Theorie gehen nach der RT ihre eigenen verschiedenen Wege. D.h. Formeln aus der Quantentheorie sind, wenn ich mich nicht irre, auf die Heim Theorie nicht anwendbar und umgekehrt. Die Heim Theorie erklärt die Effekte die mit der Quantentheorie erklärt werden sollen, so wie ich das verstanden habe, mit ihren eigenen Mitteln.
Heim theory - Wikipedia, the free encyclopedia

Und die Experimente der letzten 24 Monate von Martin Tajmar scheinen die Heim Theorie ebenfalls zu stärken.

Also ich hoffe für die Heim Theorie, denn dann steht uns eine blühende Weltraumfahrt bevor und das wollen wir sicher alle.
Außerdem kann die Heim Theorie alle 4 Grundkräfte der Physik vereinigen,
die Stringtheorie kann das nicht, die vereint nur 3 davon.
Mit der Heim Theorie wären wir also, was die Frage nach der Vereinung betrifft weiter,
das spart dann gleich schonmal nen Haufen Arbeit.

[Floore]

Aber du sagst ja jetzt oben, daß es kein 4. und 5. Neutrino Teilchen geben könnte.
Was stimmt denn jetzt nun?
Und bitte jetzt nicht als Antwort solche Sachen wie z.B., daß die Heim Theorie ja kaum begutachtet worden sei, das würde ich nicht als Antwort werten sondern als ausweichen zur Frage.

Innerhalb des Standard-Teilchemodells kann es nur diese drei Neutrinogenerationen geben. Und das Standard-Modell der Teilchenphysik heißt nicht umsonst Standard-Modell, es ist das zur Zeit das wohl beste Modell der gesammten Physik.
Und was jetzt genau diese Heim Theorie vorhersagt weiss ich nicht, die ist in der Regel kein Lehrstoff an Universitäten.
Aber im Standard-Modell ist kein Platz für weitere Neutrinos, auch nicht im Bereich von 45000MeV.
In der Teilchenphysik werden die Elementarteilchen mit Hilfe von mathematischen Gruppen und deren Symmetrien dargestellt. Diese Gruppensymmetrien sagen 3 Neutrinos vorraus, die Messungen scheinen das zu bestätigen, siehe Z-Peak. In der Tat war das einer der großen Prüfsteine des Standardmodells und Messung und Theorie passen sehr gut zusammen.

Also ich hoffe für die Heim Theorie, denn dann steht uns eine blühende Weltraumfahrt bevor und das wollen wir sicher alle.
Außerdem kann die Heim Theorie alle 4 Grundkräfte der Physik vereinigen,
die Stringtheorie kann das nicht, die vereint nur 3 davon.
Mit der Heim Theorie wären wir also, was die Frage nach der Vereinung betrifft weiter,
das spart dann gleich schonmal nen Haufen Arbeit.

Leider ist es ja nicht so, dass man einfach die Theorie nehmen kann, die einem am besten gefällt oder die die schönsten Vorhersagen macht, man muss mit der Theorie vorlieb nehmen, die die zutreffensten Vorhersagen macht.

[Cordess]

Innerhalb des Standard-Teilchemodells kann es nur diese drei Neutrinogenerationen geben. Und das Standard-Modell der Teilchenphysik heißt nicht umsonst Standard-Modell, es ist das zur Zeit das wohl beste Modell der gesammten Physik.

Das ist natürlich richtig, aber das Standardmodell kann nicht alles erklären es ist dafür noch zu unvollständig.
Siehe dazu auch weiter unten.

Und was jetzt genau diese Heim Theorie vorhersagt weiss ich nicht, die ist in der Regel kein Lehrstoff an Universitäten.

Ja, was ich übrigens schade finde.
Ich frage mich manchmal warum die Stringtheorie dort eine höhere Berechtigung hat als andere noch nicht bewiesene Theorien.
Denn auch die Stringtheorie ist ja nur ne Theorie und noch nicht bewiesen.

Aber im Standard-Modell ist kein Platz für weitere Neutrinos, auch nicht im Bereich von 45000MeV.

Hier kommen wir jetzt schon zum Thema.
Ist da jetzt nur kein Platz weil sie diese nicht braucht oder ist da kein Platz
weil das Standardmodell diese verbietet?
Darauf wollte ich hinaus.

Leider ist es ja nicht so, dass man einfach die Theorie nehmen kann, die einem am besten gefällt oder die die schönsten Vorhersagen macht, man muss mit der Theorie vorlieb nehmen, die die zutreffensten Vorhersagen macht.

Ja, das ist mir schon klar, das habe ich mit dem Satz:

Zwar kann man das was man jetzt nun wirklich findet nicht beeinflußen,

auch ausdrücken wollen.
Und es ist ja jetzt nicht verboten, daß man die Hoffnung haben kann,
das die Welt in wirklichkeit nicht so ist, wie es z.B. die Stringtheorie beschreibt.
Und das Standardmodell ist ja nur der kleinste gemeinsame aber experimentell bestätigte Nenner, d.h. es ist noch unvollständig und es ist noch Platz
für Ergänzungen wozu entweder die Stringtheorie oder z.B. auch die Heim Theorie gehören kann.
Und da darf man halt schon noch hoffen, daß die Realität sich nicht als das heraustellt in der nur die Stringtheorie zu einer Gültigkeit gelangt.