Abb. 1: ein Wasserstoffatom. Nicht maßstabsgetreu.Sie wissen, dass es beim Large Hadron Collider hauptsächlich darum geht, Protonen miteinander zu kollidieren. Aber was ist ein Proton?
Zuallererst - ein schreckliches und vollständiges Durcheinander. So hässlich und chaotisch wie ein einfaches und elegantes Wasserstoffatom.
Aber was ist dann ein Wasserstoffatom?
Dies ist das einfachste Beispiel dafür, was Physiker einen „gebundenen Zustand“ nennen. "Zustand" bedeutet im Wesentlichen eine bestimmte Sache, die schon ziemlich lange existiert, und "verbunden" bedeutet, dass ihre Komponenten miteinander verbunden sind, als ob die Ehepartner verheiratet wären. Tatsächlich passt hier sehr gut ein Beispiel eines Ehepaares, bei dem ein Ehepartner viel schwerer ist als der andere. Ein Proton sitzt in der Mitte, bewegt sich kaum, und ein Elektron bewegt sich entlang der Ränder des Objekts, bewegt sich schneller als Sie und ich, aber viel langsamer als die Lichtgeschwindigkeit, die universelle Geschwindigkeitsbegrenzung. Friedliches Bild der Eheidylle.
Oder es scheint so, bis wir in das Proton selbst schauen. Die Innenräume des Protons selbst erinnern eher an eine Gemeinde, in der viele alleinstehende Erwachsene und Kinder dicht beieinander liegen: reines Chaos. Dies ist auch ein gebundener Zustand, aber er bindet nicht etwas Einfaches, wie ein Proton mit einem Elektron, wie in Wasserstoff, oder mindestens ein paar Dutzend Elektronen mit einem Atomkern, wie in komplexeren Atomen wie Gold - sondern eine Vielzahl von (das heißt, es gibt zu viele und Sie ändern sich zu schnell, um praktisch leichte Partikel, sogenannte Quarks, Antiquarks und Gluonen, zählen zu können. Es ist unmöglich, die Struktur eines Protons einfach zu beschreiben, einfache Bilder zu zeichnen - es ist extrem unorganisiert. Alle Quarks, Gluonen und Antiquarks rasen mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit, fast mit Lichtgeschwindigkeit, hinein.
Abb. 2: Bild eines Protons. Stellen Sie sich vor, dass alle Quarks (oben, unten, seltsam - u, d, s), Antiquarks (u, d, s mit einem Strich) und Gluonen (g) mit fast Lichtgeschwindigkeit hin und her huschen und miteinander kollidieren und verschwindenMan konnte hören, dass das Proton aus drei Quarks besteht. Aber das ist eine Lüge - zum Guten, aber immer noch ziemlich groß. Tatsächlich enthält ein Proton unzählige Gluonen, Antiquarks und Quarks. Die Standardabkürzung „Proton besteht aus zwei oberen Quarks und einem unteren Quark“ bedeutet einfach, dass das Proton zwei obere Quarks mehr als obere Antiquarks und einen unteren Quark mehr als untere Antiquarks hat. Damit diese Reduktion wahr ist, müssen „und unzählige Mengen an Gluonen und Quark-Antiquark-Paaren“ hinzugefügt werden. Ohne diesen Satz wird die Idee eines Protons so vereinfacht, dass es völlig unmöglich ist, die Arbeit des LHC zu verstehen.
Abb. 3: Eine kleine Lüge zugunsten des stereotypen Bildes aus WikipediaIm Allgemeinen sind Atome im Vergleich zu Protonen wie ein Pas de Deux in einem exquisiten Ballett im Vergleich zu einer Disco voller betrunkener Teenager, die einen DJ springen und winken.
Wenn Sie ein Theoretiker sind, der zu verstehen versucht, dass er den LHC bei Protonenkollisionen sieht, wird dies für Sie schwierig. Es ist sehr schwierig, die Ergebnisse von Kollisionen von Objekten vorherzusagen, die nicht auf einfache Weise beschrieben werden können. Glücklicherweise haben theoretische Physiker seit den 1970er Jahren, basierend auf den Ideen von
Björken aus den 60er Jahren, eine relativ einfache und funktionierende Technologie gefunden. Es funktioniert jedoch bis zu bestimmten Grenzen mit einer Genauigkeit von etwa 10%. Aus diesem und einigen anderen Gründen ist die Zuverlässigkeit unserer Berechnungen für den LHC immer begrenzt.
Ein weiteres Detail über das Proton - es ist winzig. Wirklich winzig. Wenn das Wasserstoffatom auf die Größe Ihres Schlafzimmers aufgeblasen wird, hat das Proton die Größe eines so kleinen Staubpartikels, dass es sehr schwer zu bemerken ist. Gerade weil das Proton so klein ist, können wir das darin entstehende Chaos ignorieren und das Wasserstoffatom als einfach beschreiben. Genauer gesagt ist die Größe eines Protons 100.000-mal kleiner als die Größe eines Wasserstoffatoms.
Zum Vergleich: Die Größe der Sonne ist nur 3000-mal kleiner als die Größe des Sonnensystems (wenn Sie in der Umlaufbahn von Neptun zählen). Genau so - in einem Atom ist es leerer als im Sonnensystem! Denken Sie daran, wenn Sie nachts in den Himmel schauen.
Aber Sie können fragen: „Warten Sie eine Sekunde! Wollen Sie behaupten, dass der Large Hadron Collider irgendwie mit Protonen kollidiert, die 100.000 Mal kleiner als ein Atom sind? Wie ist das überhaupt möglich? "
Gute Frage.
Kollisionen von Protonen gegen Minikollisionen von Quarks, Gluonen und Antiquarks
Kollisionen von Protonen am LHC treten mit einer bestimmten Energie auf. Dies waren 7 TeV = 7000 GeV im Jahr 2011 und 8 TeV = 8000 GeV im Jahr 2012. Spezialisten für Teilchenphysik interessieren sich jedoch hauptsächlich für Kollisionen eines Quarks eines Protons mit einem Antiquark eines anderen Protons oder für Kollisionen zweier Gluonen usw. - das, was zum Auftreten eines wirklich neuen physikalischen Phänomens führen kann. Diese Minikollisionen tragen einen kleinen Teil der gesamten Protonenkollisionsenergie. Wie viel von dieser Energie können sie tragen und warum mussten Sie die Kollisionsenergie von 7 TeV auf 8 TeV erhöhen?
Die Antwort ist in Abb. 4. Die Grafik zeigt die Anzahl der im ATLAS-Detektor aufgezeichneten Kollisionen. Die Daten aus dem Sommer 2011 beziehen sich auf die Streuung von Quarks, Antiquarks und Gluonen aus anderen Quarks, Antiquarks und Gluonen. Solche Minikollisionen erzeugen meistens zwei Jets (Hadronenjets, Manifestationen von energiereichen Quarks, Gluonen oder Antiquarks, die aus elterlichen Protonen herausgeschlagen wurden). Die Energien und Richtungen der Jets werden gemessen und die Energiemenge, die an der Minikollision hätte beteiligt sein müssen, wird aus diesen Daten bestimmt. Die Grafik zeigt die Anzahl derartiger Minikollisionen in Abhängigkeit von der Energie. Die vertikale Achse ist logarithmisch - jeder Strich zeigt eine 10-fache Zunahme an (10
n bedeutet 1 und n Nullen danach). Beispielsweise betrug die Anzahl der im Energieintervall von 1550 bis 1650 GeV beobachteten Minikollisionen etwa 10
3 = 1000 (markiert durch blaue Linien). Denken Sie daran, dass der Graph mit einer Energie von 750 GeV beginnt, aber die Anzahl der Minikollisionen weiter zunimmt, wenn Sie Jets mit niedrigeren Energien untersuchen, bis die Jets zu schwach werden, um sie zu erkennen.
Abb. 4: Anzahl der Kollisionen als Funktion der Energie (m jj )Beachten Sie, dass die Gesamtzahl der Proton-Proton-Kollisionen mit einer Energie von 7 TeV = 7000 GeV nahe bei 100.000.000.000.000 liegt. Von all diesen Kollisionen überstiegen nur zwei Minikollisionen 3.500 GeV - die Hälfte der Protonenkollisionsenergie. Theoretisch kann die Energie einer Minikollision auf 7000 GeV ansteigen, aber die Wahrscheinlichkeit dafür sinkt ständig. Wir sehen selten Minikollisionen mit einer Energie von 6000 GeV, und es ist unwahrscheinlich, dass wir eine Energie von 7000 GeV sehen, selbst wenn wir 100-mal mehr Daten sammeln.
Was sind die Vorteile einer Erhöhung der Kollisionsenergie von 7 TeV in den Jahren 2010-2011 auf 8 TeV in 2012? Offensichtlich können Sie jetzt, was Sie auf dem Energieniveau E tun könnten, jetzt auf dem Energieniveau von 8/7 E ≈ 1,14 E tun. Wenn Sie also vorher hoffen könnten, in so vielen Daten Anzeichen einer bestimmten Art von hypothetischem Teilchen mit zu sehen Masse von 1000 GeV / s
2 , jetzt können wir hoffen, mindestens 1100 GeV / s
2 mit dem gleichen Datensatz zu erreichen. Die Fähigkeiten der Maschine erhöhen sich - Sie können nach Partikeln mit einer etwas größeren Masse suchen. Und wenn Sie 2012 dreimal mehr Daten erfassen als 2011, erhalten Sie für jedes Energieniveau eine größere Anzahl von Kollisionen, und Sie können Anzeichen eines hypothetischen Partikels mit einer Masse von beispielsweise 1200 GeV / s
2 erkennen .
Das ist aber noch nicht alles. Schauen Sie sich die blauen und grünen Linien in Abb. 4: Sie zeigen, dass sie bei Energien in der Größenordnung von 1400 und 1600 GeV auftreten - so dass sie sich auf 7 bis 8 beziehen. Auf der Ebene der Protonenkollisionsenergie von 7 TeV ist die Anzahl der Minikollisionen von Quarks mit Quarks, Quarks mit Gluonen usw. n. mit einer Energie von 1400 GeV mehr als doppelt so viele Kollisionen mit einer Energie von 1600 GeV. Wenn die Maschine die Energie um 8/7 erhöht, beginnt das, was für 1400 getan wurde, für 1600 zu tun. Mit anderen Worten, wenn Sie an Minikollisionen fester Energie interessiert sind, wächst ihre Anzahl - und viel mehr als 14% der Zunahme der Protonenkollisionsenergie! Dies bedeutet, dass Sie für jeden Prozess mit einer bevorzugten Energie, z. B. das Auftreten leichter Higgs-Partikel, die bei Energien in der Größenordnung von 100 bis 200 GeV auftreten, mehr Ergebnisse für dasselbe Geld erhalten. Ein Anstieg von 7 auf 8 TeV bedeutet, dass Sie bei gleicher Anzahl von Protonenkollisionen mehr Higgs-Partikel erhalten. Die Higgs-Partikelproduktion wird um etwa 1,5 zunehmen. Die Anzahl der oberen Quarks und bestimmter Arten hypothetischer Partikel wird etwas stärker zunehmen.
Dies bedeutet, dass 2012 die Anzahl der Protonenkollisionen im Vergleich zu 2011 um das Dreifache gestiegen ist, die Gesamtzahl der erhaltenen Higgs-Partikel jedoch allein aufgrund eines Energieanstiegs um fast das Vierfache zunehmen wird.
Übrigens, Bild. 4 beweist auch, dass Protonen nicht einfach aus zwei oberen Quarks und einem unteren Quark bestehen, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt. 3. Wenn sie so wären, müssten Quarks etwa ein Drittel der Protonenenergie übertragen, und die meisten Minikollisionen würden mit Energien von etwa einem Drittel der Protonenkollisionsenergie vergehen: im Bereich von 2300 GeV. Die Grafik zeigt jedoch, dass im Bereich von 2300 GeV nichts Besonderes passiert. Bei Energien von weniger als 2300 GeV gibt es viel mehr Kollisionen, und je niedriger Sie sinken, desto mehr Kollisionen sehen Sie. Dies liegt daran, dass das Proton eine große Anzahl von Gluonen, Quarks und Antiquarks enthält, von denen jedes einen kleinen Teil der Protonenenergie überträgt, aber es gibt so viele von ihnen, dass sie an einer großen Anzahl von Minikollisionen teilnehmen. Diese Eigenschaft des Protons ist in Abb. 1 dargestellt. 2 - obwohl tatsächlich die Anzahl der energiearmen Gluonen und Quark-Antiquark-Paare viel größer ist als die in der Abbildung gezeigte.
Was die Grafik jedoch nicht zeigt, sind die Brüche, die bei Minikollisionen mit einer bestimmten Energie bei Kollisionen von Quarks mit Quarks, Quarks mit Gluonen, Gluonen mit Gluonen, Quarks mit Antiquarks usw. auftreten. Tatsächlich kann dies nicht direkt aus Experimenten mit dem LHC gesagt werden - Jets aus Quarks, Antiquarks und Gluonen sehen gleich aus. Woher kennen wir diese Anteile? Dies ist eine komplizierte Geschichte, die viele verschiedene frühere Experimente und eine Theorie enthält, die sie kombiniert. Und daraus wissen wir, dass Minikollisionen der höchsten Energien normalerweise in Quarks mit Quarks und in Quarks mit Gluonen auftreten. Kollisionen bei niedrigen Energien treten normalerweise zwischen Gluonen auf. Kollisionen von Quarks und Antiquarks sind relativ selten, aber für bestimmte physikalische Prozesse sehr wichtig.
Partikelverteilung im Proton
Abb. 5Zwei Diagramme, die sich in der Skala der vertikalen Achse unterscheiden, zeigen die relative Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit einem Gluon, einem oberen oder unteren Quark oder einem Antiquark, der einen Bruchteil der Protonenenergie gleich x überträgt. Bei kleinem x dominieren Gluonen (während Quarks und Antiquarks gleichermaßen wahrscheinlich und zahlreich werden, obwohl sie immer noch kleiner als Gluonen sind), und bei mittlerem x dominieren Quarks (obwohl es nur sehr wenige davon gibt).
Beide Diagramme zeigen dasselbe, nur mit einem unterschiedlichen Maßstab, sodass das, was auf einem von ihnen schwer zu sehen ist, auf dem anderen leichter zu sehen ist. Und sie zeigen dies: Wenn ein Protonenstrahl im Large Hadron Collider auf Sie fliegt und Sie etwas im Proton treffen, wie wahrscheinlich ist es, dass Sie den oberen Quark oder unteren Quark oder Gluon oder oberen Antiquark oder unteren treffen ein Antiquark, der einen Bruchteil der Protonenenergie gleich x überträgt? Aus diesen Grafiken kann geschlossen werden, dass:
• Aufgrund der Tatsache, dass alle Kurven bei kleinem x sehr schnell wachsen (siehe untere Grafik), übertragen die meisten Partikel im Proton weniger als 10% (x <0,1) der Protonenenergie und die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit einem Partikel, das wenig trägt Energie, viel wahrscheinlicher mit einem Teilchen kollidieren, das viel trägt. Gleichzeitig sind 10% nicht so klein. Im Jahr 2012 erreichten die Strahlen am LHC Energien von 4 TeV, was 10% 400 GeV bedeutet. Darüber hinaus sind nur 62 GeV pro Gluon erforderlich, um aus zwei Gluonen ein 124-GeV-Higgs-Teilchen zu erzeugen.
• Aus der Tatsache, dass die gelbe Kurve (unten) viel höher als die anderen ist, folgt, dass wenn Sie mit etwas konfrontiert sind, das weniger als 10% der Protonenenergie überträgt, dies höchstwahrscheinlich Gluon ist; und wenn die Protonenenergie unter 2% fällt, handelt es sich wahrscheinlich gleichermaßen um Quarks oder Antiquarks.
• Aus der Tatsache, dass die Gluonenkurve (oben) mit zunehmendem x unter die Quarkkurven fällt, folgt, dass wenn Sie auf etwas stoßen, das mehr als 20% (x> 0,2) der Protonenenergie überträgt - was sehr, sehr selten vorkommt - Dies ist höchstwahrscheinlich ein Quark, und die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um den oberen Quark handelt, ist doppelt so hoch wie die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um den unteren Quark handelt. Dies sind die Überreste der Idee, dass „ein Proton aus zwei oberen Quarks und einem unteren Quark besteht“.
• Alle Kurven mit einem Anstieg von x fallen stark ab. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass Sie auf etwas stoßen, das mehr als 50% der Protonenenergie trägt.
Diese Beobachtungen spiegeln sich indirekt in der Grafik in Abb. 4. Hier sind einige nicht offensichtliche Dinge zu den beiden Diagrammen:
• Der größte Teil der Protonenenergie wird (ungefähr zu gleichen Teilen) auf eine kleine Anzahl energiereicher Quarks und eine große Anzahl energiearmer Gluonen aufgeteilt.
• Unter den Partikeln überwiegen energiearme Gluonen, gefolgt von Quarks und Antiquarks mit sehr niedrigen Energien.
Die Anzahl der Quarks und Antiquarks ist riesig, aber: Die Gesamtzahl der oberen Quarks abzüglich der Gesamtzahl der oberen Antiquarks beträgt zwei, und die Gesamtzahl der unteren Quarks abzüglich der Gesamtzahl der unteren Antiquarks beträgt eins. Wie wir oben gesehen haben, tragen zusätzliche Quarks einen greifbaren (aber nicht den Haupt-) Teil der Energie eines Protons, das auf Sie fliegt. Und nur in diesem Sinne können wir sagen, dass das Proton hauptsächlich aus zwei oberen Quarks und einem unteren Quark besteht.
Übrigens wurden all diese Informationen aus einer aufregenden Kombination von Experimenten (hauptsächlich zur Streuung von Elektronen oder Neutrinos von Protonen oder von Atomkernen von schwerem Wasserstoff - Deuterium, die ein Proton und ein Neutron enthalten) erhalten, die unter Verwendung detaillierter Gleichungen gesammelt wurden, die elektromagnetische, starke Kerne beschreiben und schwache nukleare Wechselwirkungen. Diese lange Geschichte reicht von den späten 1960er und frühen 1970er Jahren. Und es eignet sich hervorragend zur Vorhersage der Phänomene, die bei Kollidern beobachtet werden, bei denen Protonen mit Protonen kollidieren und Protonen mit Antiprotonen kollidieren - wie Tevatron und LHC.
Andere Hinweise auf eine komplexe Protonenstruktur
Schauen wir uns einige der am LHC erhaltenen Daten an und wie sie die Aussagen über die Struktur des Protons bestätigen (obwohl das aktuelle Verständnis des Protons dank vieler Experimente vor drei bis vier Jahrzehnten erschien).
Die Grafik in Abb. 4 ergibt sich aus Beobachtungen von Kollisionen, bei denen so etwas wie die in Fig. 1 gezeigte. 6: Ein Quark oder Antiquark oder Gluon eines Protons kollidiert mit einem Quark oder Antiquark oder Gluon eines anderen Protons, streut davon (oder etwas Komplizierteres passiert - zum Beispiel kollidieren zwei Gluonen und verwandeln sich in einen Quark und ein Antiquark), was zu zwei Partikeln führt (Quarks, Antiquarks oder Gluonen) fliegen vom Kollisionspunkt weg. Diese beiden Teilchen verwandeln sich in Jets (Hadron-Jets). Die Energie und Richtung der Strahlen werden in Teilchendetektoren beobachtet, die den Kollisionspunkt umgeben. Diese Informationen werden verwendet, um zu verstehen, wie viel Energie in der Kollision zweier anfänglicher Quarks / Gluonen / Antiquarks enthalten war. Genauer gesagt ergibt die invariante Masse zweier Jets multipliziert mit c
2 die Kollisionsenergie der beiden anfänglichen Quarks / Gluonen / Antiquarks.
Abb. 6Die Anzahl der Kollisionen dieses Typs in Abhängigkeit von der Energie ist in Fig. 1 angegeben. 4. Die Tatsache, dass bei niedrigen Energien die Anzahl der Kollisionen viel größer ist, bestätigt die Tatsache, dass die meisten Teilchen im Proton nur einen kleinen Teil seiner Energie übertragen. Daten beginnen mit Energien von 750 GeV.
Abb. 7: Daten für niedrigere Energien aus einem kleineren Datensatz. Dijetmasse - das gleiche wie m jj in Abb. 4.Die Daten für Abb. 7 stammen aus dem CMS-Experiment 2010, bei dem Kollisionen von Fleisch mit Energien von 220 GeV aufgezeichnet wurden. Hier wird der Graph nicht aus der Anzahl der Kollisionen aufgebaut, sondern etwas komplizierter: Die Anzahl der Kollisionen pro GeV, dh die Anzahl der Kollisionen, wird durch die Breite der Histogrammspalte geteilt. Es ist ersichtlich, dass der gleiche Effekt weiterhin auf den gesamten Datenbereich wirkt. Kollisionen des in Abb. In 6 tritt bei niedrigen Energien viel weniger auf als bei hohen. Und diese Zahl wächst weiter, bis es nicht mehr möglich ist, zwischen Jets zu unterscheiden. Ein Proton enthält viele energiearme Teilchen, von denen nur wenige einen spürbaren Teil seiner Energie tragen.
Was ist mit dem Vorhandensein von Antiquarks in einem Proton? Drei der interessantesten Prozesse, die der in Abb. 1 gezeigten Kollision nicht ähnlich sind. 6, die manchmal am LHC auftreten (bei einer von mehreren Millionen Proton-Proton-Kollisionen), umfassen den Prozess:
Quark + Antiquark -> W
+ , W
- oder Z-Partikel.
Sie sind in Abb. 1 dargestellt. 8.
Abb. 8Entsprechende Daten mit CMS sind in Abb. 1 dargestellt. 9 und 10. Abb. 9 zeigt, dass die Anzahl der Kollisionen, die zu einem Elektron oder Positron (links) und etwas nicht nachweisbarem (wahrscheinlich einem Neutrino oder Antineutrino) oder einem Myon und Antimuon (rechts) führen, korrekt vorhergesagt wird. Die Vorhersage erfolgt durch Kombination des Standardmodells (Gleichungen, die das Verhalten bekannter Elementarteilchen vorhersagen) und der Struktur des Protons.
Aufgrund des Auftretens der Partikel W und Z entstehen große Datenpeaks. Die Theorie stimmt perfekt mit den Daten überein.Abb. 9: schwarze Punkte - Daten, gelbe - Vorhersagen. Die Anzahl der Ereignisse wird in Tausend angegeben. Links: Der zentrale Peak erscheint aufgrund von Neutrinos in W.-Partikeln. Rechts werden das bei der Kollision auftretende Lepton und Antilepton kombiniert, und die Masse des Partikels, aus dem sie hervorgegangen sind, wird impliziert. Der Peak erscheint aufgrund der resultierenden Z-Partikel.Weitere Details sind in Abb. 1 zu sehen. 10, wo gezeigt wird, dass die Theorie in Bezug auf die Anzahl nicht nur angegebener, sondern auch vieler verwandter Messungen - von denen die meisten mit Kollisionen von Quarks mit Antiquarks verbunden sind - perfekt mit den Daten übereinstimmt. Die Daten (rote Punkte) und die Theorie (blaue Segmente) stimmen aufgrund statistischer Schwankungen nie genau überein, aus dem gleichen Grund, aus dem Sie zehn Mal eine Münze werfen und keine fünf "Adler" und fünf "Schwänze" erhalten. Daher werden Datenpunkte innerhalb des "Fehlerstreifens", eines vertikalen roten Streifens, platziert. Die Bandgröße ist so bemessen, dass für 30% der Messungen das Fehlerband an die Theorie grenzt und für nur 5% der Messungen durch zwei Bänder von der Theorie getrennt sein sollte. Es ist ersichtlich, dass alle Beweise bestätigen, dass das Proton viele Antiquarks enthält. Und wir verstehen die Anzahl der Antiquarks richtig,einen bestimmten Teil der Protonenenergie tragen.