- Das Proton im Atomkern ist ein quantenmechanisches Objekt, das je nach experimentellem Aufbau völlig unterschiedliche innere Strukturen offenbart; um dem Gesamtbild nahezukommen, muss man mehrere Generationen von Streuexperimenten zusammenführen
- Die tiefinelastische Streuung am SLAC im Jahr 1967 lieferte den ersten Beleg dafür, dass Elektronen auf punktförmige Bestandteile im Proton, die Quarks, stoßen; seitdem haben Hunderte Experimente die innere Struktur immer feiner untersucht
- Das Drei-Quark-Modell erklärt die Ladung +1 des Protons, reicht aber nicht aus, um Spin und Masse vollständig zu erklären, weshalb ein komplexeres Bild aus Quarks, Gluonen und Antiquarks nötig wurde
- HERA beobachtete mit etwa 1.000-mal stärkeren Kollisionen als am SLAC ein Meer aus Quarks und Antiquarks mit niedrigem Impuls, die nur 0,005 % des Gesamtimpulses tragen, und stützte damit die Vorhersagen der QCD
- Eine Analyse von mehr als 5.000 Protonen-Schnappschüssen aus den letzten 50 Jahren mit Machine Learning deutet darauf hin, dass Charm-Quarks, die schwerer als das Proton sind, beständiger vorhanden sein könnten, was auch die Interpretation von LHC- und kosmischen Neutrino-Daten beeinflussen könnte
Das Proton zeigt je nach Experiment ein anderes Gesicht
- Das Proton ist das positiv geladene Teilchen im Zentrum des Atoms, doch weder eine klassische „strukturlose Kugel“ noch ein einfaches Bündel aus drei Quarks genügt als Erklärung
- Als quantenmechanisches Objekt existiert das Proton eher wie ein Nebel aus Wahrscheinlichkeiten, bis ein Experiment eine konkrete Form erzwingt; je nach Versuchsaufbau kann das beobachtete Bild stark variieren
- Mike Williams vom MIT nannte das Proton „das Komplizierteste, was man sich vorstellen kann“, und Richard Milner sagte, Physiker hätten gerade erst begonnen, dieses System vollständig zu verstehen
- Eine im August 2022 veröffentlichte groß angelegte Datenanalyse fand Hinweise auf Charm-Quarks im Proton, obwohl diese schwerer sind als das Proton selbst
SLAC lieferte die ersten Hinweise auf das Innere des Protons
- 1967 führte das Stanford Linear Accelerator Center, SLAC, tiefinelastische Streuung durch, bei der Elektronen mit hoher Energie auf Protonen geschossen wurden und diese aufbrachen
- Die Elektronen wurden nicht einfach wie Billardkugeln abgelenkt, sondern streuten so, als würden sie auf punktförmige Bestandteile im Proton treffen: Quarks
- Dieses Ergebnis war der erste Beleg dafür, dass Quarks tatsächlich existieren, und die damit verbundenen Entdeckungen führten 1990 zum Nobelpreis für Physik
- Seitdem haben Physiker durch Variation der Elektronenenergie und der nach der Streuung gesammelten Teilchen verschiedene Aspekte des Protoneninneren erschlossen
Je höher die Energie, desto kleinere Strukturen werden sichtbar
- Elektronen mit höherer Energie erlauben einen Blick ins Proton mit höherer Auflösung
- Misst man Energie und Bahn des gestreuten Elektrons, lässt sich bestimmen, ob es auf ein Quark traf, das einen großen oder nur einen kleinen Anteil des Gesamtimpulses des Protons trägt
- Durch wiederholte Kollisionen kann man untersuchen, ob der Protonenimpuls an wenige Quarks gebunden ist oder auf viele Bestandteile verteilt wird
- Bei Kollisionen auf dem Energieniveau des SLAC ergaben sich oft Befunde, als hätten Elektronen Quarks getroffen, die etwa ein Drittel des Gesamtimpulses des Protons tragen; das passte zum Drei-Quark-Modell, das Murray Gell-Mann und George Zweig 1964 vorgeschlagen hatten
Erklärungskraft und Grenzen des Drei-Quark-Modells
- Das Quark-Modell von Gell-Mann und Zweig beschreibt das Proton als zwei Up-Quarks und ein Down-Quark
- Jedes Up-Quark trägt die Ladung +2/3
- Das Down-Quark trägt die Ladung −1/3
- Zusammen ergibt das die Protonenladung +1
- Dieses Modell scheitert jedoch daran, den Spin des Protons zu erklären
- Das Proton hat Spin 1/2
- Auch Up- und Down-Quarks haben jeweils Spin 1/2
- Anfangs nahm man an, dass der Spin des Protons 1/2 entsteht, wenn man den Spin des Down-Quarks von den Spins der beiden Up-Quarks subtrahiert
- 1988 berichtete die European Muon Collaboration jedoch, dass die Summe der Quarkspins deutlich kleiner als 1/2 ist
- Auch bei der Masse zeigt sich eine Grenze
- Die Masse von zwei Up-Quarks und einem Down-Quark macht nur etwa 1 % der Gesamtmasse des Protons aus
- Das Proton enthält also weit mehr als nur drei Quarks
HERA offenbarte ein Meer aus Quarks und Antiquarks
- Der Hadron-Electron Ring Accelerator, HERA, in Hamburg war von 1992 bis 2007 in Betrieb und ließ Elektronen mit etwa 1.000-mal höherer Stärke als am SLAC auf Protonen treffen
- In den HERA-Experimenten konnte man sogar Elektronen auswählen und analysieren, die von Quarks mit extrem niedrigem Impuls zurückgestreut wurden, die nur 0,005 % des Gesamtimpulses des Protons tragen
- Dabei wurde eine wirbelnde Struktur aus Quarks mit niedrigem Impuls und ihren Antimaterie-Gegenstücken, den Antiquarks, beobachtet
- Das stützte die Quantenchromodynamik (QCD), die seit den 1970er Jahren entwickelt wurde
- QCD ist die Quantentheorie der starken Kraft zwischen Quarks
- Quarks werden durch kraftvermittelnde Gluonen gebunden
- Quarks und Gluonen besitzen drei Arten von color charge, bezeichnet als red, green und blue
- Teilchen wie das Proton kombinieren diese Farben so, dass insgesamt ein neutrales white entsteht
Was QCD über starke Kollisionen zeigt – und wo die Berechnung an Grenzen stößt
- Laut QCD können Gluonen kurzzeitig einen Energieschub erhalten und sich in ein Quark-Antiquark-Paar aufspalten
- Dieses Paar trägt dann nur sehr wenig Impuls und annihiliert anschließend wieder; HERA konnte dieses vorübergehende „Meer“ aus Gluonen, Quarks und Antiquarks nachweisen
- Je niedrigere Impulse der Quarks HERA sichtbar machte, desto mehr solcher Quarks erschienen, was darauf hindeutet, dass das Proton bei noch energiereicheren Kollisionen fast wie eine Gluonenwolke aussehen würde
- Milner bewertet die HERA-Daten als direkten experimentellen Beleg dafür, dass QCD die Natur beschreibt
- Allerdings ist QCD nur dann leicht zu berechnen, wenn die starke Kraft relativ schwach ist
- Die starke Kraft wird schwächer, wenn Quarks sehr dicht beieinander sind
- Das gilt für kurzlebige Quark-Antiquark-Paare
- Umgekehrt sind die drei langlebigeren Quarks, die man bei weicheren Kollisionen wie am SLAC sieht, weit genug voneinander entfernt, dass die Berechnung sehr schwierig wird
- Frank Wilczek, David Gross und David Politzer klärten 1973 genau diese Eigenschaft der QCD auf und erhielten 31 Jahre später den Nobelpreis
Charm-Quarks ergänzen das Protonenbild um eine neue Ebene
- Ein von Juan Rojo geleitetes Forschungsteam analysierte mehr als 5.000 Protonen-Schnappschüsse aus den vergangenen 50 Jahren
- Die Analyse nutzte Machine Learning, um theoretische Vorannahmen zu umgehen und daraus die Bewegung von Quarks und Gluonen im Proton zu erschließen
- Bei vergleichsweise schwachen Kollisionen war der Großteil des Impulses an die bekannten drei Quarks gebunden: zwei Up-Quarks und ein Down-Quark
- Doch ein kleiner Teil des Impulses schien von Charm-Quarks und Charm-Antiquarks zu stammen
- Charm-Quarks und Charm-Antiquarks sind jeweils fundamentale Teilchen, die mehr als ein Drittel schwerer sind als das gesamte Proton
- Gluonen können sich bei genügend Energie in jede der sechs Quarksorten aufspalten, weshalb kurzlebige Charm-Teilchen im Bild des „Quark-Meers“ häufig auftauchen
- Die Ergebnisse von Rojos Team deuten jedoch darauf hin, dass Charm beständiger präsent sein könnte
- Bei weichen Kollisionen trifft das Elektron gewöhnlich auf drei leichte Quarks
- Gelegentlich könnte es aber seltene Fünf-Quark-Molekül-Zustände antreffen, bei denen etwa Up-, Down- und Charm-Quark auf der einen Seite und Up-Quark plus Charm-Antiquark auf der anderen Seite sitzen
Ein wichtiger Eingabewert für die Interpretation von LHC- und kosmischen Beobachtungen
- Die feine innere Zusammensetzung des Protons kann die Interpretation der Suche nach neuen fundamentalen Teilchen am Large Hadron Collider beeinflussen
- Am LHC lässt man schnelle Protonen miteinander kollidieren und beobachtet, was dabei entsteht; deshalb muss man wissen, was sich vor dem Stoß im Proton befindet
- Wenn gelegentlich ein massereiches Charm-Quark auftaucht, könnten Berechnungen der Wahrscheinlichkeit für die Erzeugung noch exotischerer Teilchen ins Wanken geraten
- Auch wenn Protonen aus kosmischer Strahlung mit Protonen in der Erdatmosphäre kollidieren, könnten Charm-Quarks im richtigen Moment zusätzliche hochenergetische Neutrinos erzeugen
- Forschende berechneten 2021, dass dieser Effekt noch energiereichere Neutrinos auf die Erde regnen lassen könnte
- Das könnte Beobachter verwirren, die hochenergetische Neutrinos aus dem All aufspüren
Die nächsten Experimente zielen auf 3D-Struktur und Spin-Karten
- Rojos Forschungskollaboration will die Protonenerkundung fortsetzen, indem sie nach einer Asymmetrie zwischen Charm-Quarks und Charm-Antiquarks sucht
- Noch schwerere Bestandteile wie Top-Quarks könnten ebenfalls auftreten, wenn auch viel seltener und schwerer nachweisbar
- Physiker am Brookhaven National Laboratory wollen in den 2030er Jahren den Electron-Ion Collider in Betrieb nehmen, um nach HERA hochauflösende Protonen-Schnappschüsse der nächsten Generation zu gewinnen
- Der EIC könnte die erste 3D-Rekonstruktion des Protons ermöglichen
- Außerdem will man mit polarisierten Elektronen eine Spin-Karte der inneren Quarks und Gluonen erstellen
- Das wäre das Gegenstück zu den Impulskarten, die SLAC und HERA geliefert haben
- Es könnte helfen, den Ursprung des Protonenspins einzugrenzen und grundlegende Fragen über dieses Teilchen zu beantworten, aus dem ein Großteil der Alltagswelt besteht
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Nachdem ich den Artikel gelesen hatte, kam mir ein etwas dummer Gedanke. Das Elektron ist ein Elementarteilchen und daher im Vergleich zum Proton „einfach“, aber das Elektron hat die Ladung -e und das Proton die Ladung +e, die Ladungen sind also exakt komplementär.
Wenn das Proton ein so komplexes Gebilde ist, frage ich mich, welche Regel dafür sorgt, dass seine Ladung genau der des Elektrons entgegengesetzt ist. Warum nicht +1,8e, +3e oder 0,1666e, sondern genau +e? Und ich frage mich auch, ob diese Frage überhaupt sinnvoll ist.
Beim Positron verstehe ich, dass es als Antiteilchen des Elektrons +e hat, aber merkwürdig ist, dass das Proton, obwohl darin mehrere Elementarteilchen komplex verflochten sind, dennoch exakt +e besitzt.
Wenn man an Quark-Confinement glaubt, das rechnerisch, theoretisch und experimentell sehr stark gestützt ist, folgt daraus ganz natürlich, dass die Protonenladung exakt +1 ist.
Entweder gibt es unendlich viele Universen und wir befinden uns in einem passenden, oder es gibt nur eines und dieses eine passt zufällig; so oder so haben wir ziemlich viel Glück.
https://youtu.be/YmOVoIpaPrc
Solche Dinge verklumpen, bis sie hinreichend stabil sind; wenn es stabile Formen gibt und die Anzahl groß genug ist, entstehen schließlich viele stabile Formen. Es ist nicht so, als würde sich alles auf magische Weise austarieren, sondern eher ein Prozess des Absinkens in stabile Zustände, und es gibt immer noch viel instabile Materie.
Es hängt mit der C-Symmetrie als diskreter Symmetrie zusammen und hat auch Verbindungen zur Lorentz-Invarianz.
In gewissem Sinn „muss“ es allerdings so sein: Ohne Ladungsausgleich gäbe es die Atome, wie wir sie kennen, nicht, und damit auch keine Chemie, die die makroskopische Welt hervorbringt, in der wir leben.
Ich zweifle nicht daran, dass Quantenphysiker wissen, wovon sie reden, aber Sätze wie „es sieht je nach Art der Sonde anders aus“, „man kann sich nicht einmal vorstellen, wie komplex es ist“ oder „es enthält Spuren von Charm-Quarks, die schwerer sind als das Proton selbst“ fühlen sich an wie Ausreden eines Schülers gegenüber dem Lehrer, wenn seine Rechnung falsch ist.
Vielleicht gibt es eine zugängliche verborgene Superstruktur, wenn man Objekte außerhalb der Raumzeit betrachten könnte, aber bis dahin haben wir, abgesehen von Spekulationen, nur die derzeitige Reduktion auf Raumzeit.
(https://en.m.wikipedia.org/wiki/Amplituhedron)
Gleichzeitig geht jeder davon aus, dass die eigene Sicht stimmt und alle zustimmen. Statt Konsens gibt es Sekten, die sich weiter aufspalten, ohne die Mehrheit zu ersetzen; es gibt eine Orthodoxie wie die Kopenhagener Deutung, und Menschen wie Everett, die die Grenze überschreiten, werden ausgegrenzt – das wirkt eher wie Religion als wie Wissenschaft.
Ein weiteres Symptom ist, Menschen dazu zu bringen, offensichtlich Unsinniges zu sagen und zu tun, um ihre Hingabe zu beweisen. Im Christentum ist das die Dreifaltigkeit, in der Quantenmechanik übernimmt die Welle-Teilchen-Dualität diese Rolle. Ein Punktteilchen mit einer kilometerlangen Wellenlänge ergibt keinen Sinn, und dennoch soll man glauben, dass Radiowellen aus Photonen bestehen.
Wenn die Belege nicht ausreichen, um alle auf eine Linie zu bringen, und das beste Argument der jeweiligen Stämme sich auf „unser Stammesführer hat es gesagt“ aufspaltet, zeigt sich darin das magische Denken und die Religiosität des Menschen.
Wenn ich solche Texte lese, kommt mir der Gedanke, als würde man einen Apfel mit einem Hammer bearbeiten, immer fester zuschlagen und dann schließen, der Apfel sei flach und matschig. Wenn man noch härter zuschlägt, sagt man vielleicht, der Apfel sei papierdünn und heiß.
Ich frage mich, woher man bei solchen Kollisionsexperimenten weiß, dass manche der dabei entstandenen Teilchen nicht gar nicht im Kollisionsobjekt steckten, sondern aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung herausgeschleudert wurden.
Die Forscher haben das sicher berücksichtigt, und es gibt bestimmt eine gute Erklärung dafür; ob ich sie verstehen kann, ist eine andere Frage.
Eine weitere seltsame Sache sind virtuelle Teilchen, die auch ohne Energie auftauchen können. Sie sind insofern ähnlich, als sie Manifestationen derselben Quantenfelder sind wie reale Energieteilchen, zum Beispiel des Charm-Quark-Feldes; sie unterscheiden sich aber darin, dass sie keine Energie tragen und deshalb nicht lange existieren können.
Die Welt ist sehr seltsam, aber die Mathematik funktioniert. Ein Proton ist eher ein brodelnder Energieball, in dem Up-Quark- und Down-Quark-Quantenfelder durch die komplizierte farbige starke Kraft aneinander „festgehalten“ werden und an einem Ort bleiben. Darin steckt so viel Energie, die herauswill, aber nicht herauskann, dass ständig irgendetwas entsteht und wieder verschwindet.
Ich werde zunehmend müde von Formulierungen wie: „Das Proton ist ein quantenmechanisches Objekt, das als Nebel von Wahrscheinlichkeiten existiert, bis ein Experiment ihm eine konkrete Form gibt.“
Ich akzeptiere zu 100 %, dass Quantenmechanik ein nützliches Werkzeug ist, um unser heutiges Verständnis auf Basis immer präziserer Beobachtungen zu modellieren. Aber die Vorstellung, ein Proton sei eine sich wandelnde Energiesuppe, die sich erst bildet, wenn jemand vorbeikommt und darüber nachdenkt, fällt mir grundsätzlich schwer zu glauben.
Es sei denn, die Realität ist eine Simulation, in der näherungsweise gerechnet wird und teure Rechenressourcen nur für die beobachteten Teile aufgewendet werden. Und auch von der Simulationshypothese habe ich genug.
Tatsächlich vermute ich eher, dass wir entweder nicht gut genug beobachten können oder nicht in genügend Dimensionen existieren, um das Beobachtete zu verstehen, sodass die Schnitte, die wir fixieren können, wie Teile eines Wahrscheinlichkeitssystems wirken. Trotzdem wette ich noch darauf, dass das alles ein riesiges Game of Life sein könnte.
Wenn man an reale statistische Experimente wie Buffons Nadel denkt, muss in der Realität selbst etwas sehr „Statistisches“ eingebettet sein. Die Quantenmechanik treibt das sehr weit, deshalb kann sie kompliziert wirken.
Wenn Teilchen an makroskopische Objekte gebunden sind, werden sie schärfer und können dadurch auch andere Elementarteilchen, die sie „messen“, schärfer machen. Umgekehrt kann ein Teilchen, wenn es mit unschärferen Teilen eines makroskopischen Objekts interagiert, etwa mit dem Rand eines Spalts, unschärfer und wellenartiger werden.
In diesem Sinne ist das Proton tatsächlich eine sich wandelnde Suppe und nichts anderes. Wenn man stark genug darauf einschlägt, wird es kurzzeitig in einen etwas schärferen Zustand gestört und verrät einem etwas, kehrt aber wegen der chaotischen mikroskopischen Wechselwirkungen im Inneren sofort wieder zur Suppe zurück.
Materie wirkt nur auf makroskopischer Ebene scharf; auf Teilchenebene ist sie immer unscharf. Nur sieht die Mathematik, die den Austausch von Energie und Impuls zwischen unscharfen „Wellen“ beschreibt, so aus, als würden kleine Kugeln abprallen, weshalb es schwer ist, die Vorstellung kleiner Kugeln aufzugeben. Ich denke, das ist ein Zufall, der daher rührt, dass alle Kräfte bis zu einem gewissen Grad kugelsymmetrisch sind.
Mit „Nebel von Wahrscheinlichkeiten“ ist hier gemeint, dass man immer wieder alle möglichen Anordnungen berechnen muss, die Gluonen und Quarks im Proton haben können, um experimentelle Vorhersagen zu machen.
Der Rechenaufwand ist absurd, aber konzeptionell ist das weder besser noch schlechter als zu sagen, Teilchen seien Billardkugeln, die sich nach Newtons Gleichungen bewegen. Man ist Letzteres nur gewohnter; wenn man sich mit Dingen wie Gitter-QCD beschäftigt, gewöhnt man sich auch vollkommen daran, dass Ersteres die „eigentlichen“ zugrunde liegenden physikalischen Regeln sind.
Das Bild vom „sich wandelnden quantenmechanischen Energiesuppe-Proton, das sich erst bildet, wenn jemand vorbeikommt und darüber nachdenkt“, sieht man in der Populärwissenschaft oft, aber wortwörtlich kann es nicht stimmen. Quantenmechanik existierte auch schon gut, bevor es beobachtende und denkende Menschen gab.
Ein Professor sagte oft, das Proton sei ein Mülleimer.
Deshalb müssen Hadronenbeschleuniger, einschließlich des LHC, mit sehr hoher Luminosität, also Kollisionsrate, betrieben werden. Selbst wenn man zwei Protonen kollidieren lässt, trägt der tatsächlich wechselwirkende Teil meist nur einen sehr kleinen Teil der Gesamtenergie, sodass man oft nicht die interessante Hochenergiephysik erhält, die man untersuchen möchte.
Zu dem Satz „In Wahrheit kann man sich nicht einmal vorstellen, wie komplex es ist“: Vielleicht konnte es sich ja doch jemand vorstellen. Sonst hätte all diese Komplexität wohl eine enorme Zahl von Bugs erzeugt und das Universum wäre abgestürzt.
Die eigentliche Frage ist, ob wir auf Bare Metal, in einer virtuellen Maschine oder in einem Container laufen.
Das Headerbild sieht aus, als würde es sich gut als Wallpaper machen. Link in voller Größe: https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2022/10/PROTON...
Mir gefiel der Satz: „Ein Proton ist ein quantenmechanisches Objekt, das als Nebel von Wahrscheinlichkeiten existiert, bis ein Experiment ihm eine konkrete Form gibt.“
Könnte Gravitation ein Effekt von Masse in unbestimmter Form sein? Wie eine Art Vakuum innerhalb der Raumzeit?
Selbst bei denselben Protonen, Neutronen und Elektronen wird die Gravitation größer, wenn man ihre Geschwindigkeit oder Anordnung ändert. Der Kernpunkt ist nicht einfach Masse, sondern der Stress-Energie-Tensor.
Um zu sehen, dass „Gravitation könnte der Effekt von Masse in unbestimmter Form sein“ nicht stimmt, kann man Sterne und Schwarze Löcher mit Quarks vergleichen. Der Raum zwischen Quarks verhält sich je nach momentaner Anordnung der tatsächlichen Quarks wie unterschiedlich größere oder kleinere Quarks.
Wendet man denselben Gedanken auf einen sehr großen Stern an, müsste dieser Stern je nach Position und Zustand, vielleicht auch aufgrund spontaner Veränderungen, mal wie ein Schwarzes Loch, mal wie eine Supernova, mal wie ein Stern wirken. Insbesondere wenn er sehr weit entfernt ist, erscheint er wie ein Punkt, sodass man erwarten würde, dass er sich wie ein Schwarzes Loch verhält; tatsächlich ist das aber nicht so.
Ein Stern sieht wie ein Stern aus, egal wie weit entfernt er ist. Wenn die Realität auf diese Weise funktionierte, müssten nahe Galaxien kaum Dunkle Materie haben und ferne Galaxien viel Dunkle Materie sowie sehr klein sein; tatsächlich sind Galaxien und Dunkle Materie unabhängig von der Entfernung im Großen und Ganzen ähnlich.
Allerdings ist die Frage selbst ziemlich unklar. Ich habe sie eher spaßeshalber in einen Rahmen gezwängt, aus dem eine interessante Antwort herauskommt, und glaube nicht, dass das die ursprünglich gemeinte Frage besonders gut beantwortet.
Könnte das Universum unendlich komplex sein? Sozusagen wie Schildkröten ohne Ende.
Die Konzepte von Dualität und Kopie in der Physik sind sehr interessant. Es scheint, als habe alles ein Gegenteil, und wenn diese Gegensätze zusammentreffen, bilden sie eine größere Einheit, die wiederum selbst ein Gegenteil hat.
https://www.youtube.com/watch?v=ycvlJ9XMd94&ab_channel=cakta...
Es könnte etwas geben, das sich per Definition nicht weiter auflösen lässt und gegen das man immer wieder stößt. Gibt es in der Physik so etwas wie Gödels Unvollständigkeitssatz?
Die Komplexität der Grundlagenphysik wird stark überschätzt. Sie ist nur nicht intuitiv. Selbst die einfachste Zelle ist um mehrere Größenordnungen komplexer als ein Proton.