Ladungsverteilung im Neutron

[Joachim]

Hallo nochmal,

Ich formuliere also meine Antwort auf dein (Orbits) Posting #15 nochmal kürzer:

Darf ich mir das so zusammenreimen, dass die negative Drittelsladung des Protons im viel stärkeren 'Rauschen' der beiden positiven Zweidrittelsladungen untergeht, die Ladungsverteilung im Neutron aber scharf zutage tritt, weil es hier kein 'Rauschen' gibt und jede Abweichung von Null detektiert werden kann?

Ja

Gruß,
Joachim

 

[jonas]

Vielleicht kann es ja so sein:
Bei einem insgesamt elektrisch neutralen Teilchen wie dem Neutron kann man Bereiche detektieren, die negativ sind, andere positiv. Und dies funktioniert, sobald die Ladungsverteilung um ein Epsilon unsymmetrisch ist.

Bei einem Proton müsste die Ladungsverteilung seht viel deutlicher asymmetrisch sein um Bereiche mit negativer Ladung zu messen. Man müsste also unterscheiden können zwischen Zonen, die etwas stärker und etwas schwächer positiv sind. Und dazu reicht möglicherweise die Empfindlichkeit des Versuchs nicht aus.

Wenn ich jetzt kompletten Unsinn geschrieben habe, dann sagt es ruhig

 

[Joachim]

Vielleicht kann es ja so sein:
Bei einem insgesamt elektrisch neutralen Teilchen wie dem Neutron kann man Bereiche detektieren, die negativ sind, andere positiv. Und dies funktioniert, sobald die Ladungsverteilung um ein Epsilon unsymmetrisch ist.

Ja, so ist es!

Bei einem Proton müsste die Ladungsverteilung seht viel deutlicher asymmetrisch sein um Bereiche mit negativer Ladung zu messen. Man müsste also unterscheiden können zwischen Zonen, die etwas stärker und etwas schwächer positiv sind. Und dazu reicht möglicherweise die Empfindlichkeit des Versuchs nicht aus.

Jein, es liegt ja nicht an der Empfindlichkeit des Versuchs, sondern schlicht daran, dass die Aufenthaltsbereiche der Quarks im Proton sich nicht so stark unterscheiden, dass es Negative Bereiche gibt. Es ist also keine Ungenauigkeit der Detektion, sondern die Eigenschaft des Protons überall positiv zu sein.

Die Frage des stärker und schwächer Positiv seins kommt erst herein, wenn man diese Messung mit einer Theorie vergleicht. Erst wenn eine Theorie diese Verteilungsfunktionen beschreibt kann man sehen ob beim Proton ein ähnlich starker Effekt auftritt wie beim Neutron, oder ob er dort in der Unsicherheit untergeht.

Habe ich schon wieder zu viel gequatscht?

Gruß,
Joachim

 

[Orbit]

jonas
Du sagst exakt das, was ich meine.
Gruss Orbit
P.S. Also müsste Deine Antwort im vorletzten Beitrag, Joachim, 'Jein' lauten.
Aber damit kann ich nun auch leben. ^^

 

[Joachim]

Hallo Orbit,

P.S. Also müsste Deine Antwort im vorletzten Beitrag, Joachim, 'Jein' lauten.
Aber damit kann ich nun auch leben. ^^

Meines Erachtens nicht. Du hast dich vorsichtiger ausgedrückt. Beim Neutron wissen wir: Wenn die "Orbitale" von Up- und Down-Quarks identisch sind, dann bekommen wir eine Nulllinie. Beim Proton kennen wir die sich dann ergebende positive Ladungsverteilung nicht. Deshalb können wir beim Neutron auf dem ersten Blick sehen, dass es keine Gleichheit diese Orbitale gibt.

Jonas hat mehrere Dinge genannt:

1)"Bei einem Proton müsste die Ladungsverteilung seht viel deutlicher asymmetrisch sein um Bereiche mit negativer Ladung zu messen."

Ja

2)"Man müsste also unterscheiden können zwischen Zonen, die etwas stärker und etwas schwächer positiv sind."

Ja und dazu braucht es eine Theorie.

3)"Und dazu reicht möglicherweise die Empfindlichkeit des Versuchs nicht aus."

Nein, die Empfindlichkeit ist nicht das Problem, sondern dass es sich um eine Modellunabhängige Auswertung handelt.

Gruß,
Joachim

 

[Orbit]

Joachim

Du hast dich vorsichtiger ausgedrückt.

OK, noch mal Glück gehabt^^. Ich kann aber nicht garantieren, dass ich mich im Verlaufe dieses Threads nicht doch mal etwas weniger vorsichtig ausdrücken werde. Damit wären wir in Sachen Unberechenbarkeit wieder quitt. )

2)"Man müsste also unterscheiden können zwischen Zonen, die etwas stärker und etwas schwächer positiv sind."

Ja und dazu braucht es eine Theorie.

Eine wäre immerhin schon angemeldet, ich meine die von R. Gleichmann. Meine Meinung dazu kennst Du wahrscheinlich, aber massgebender wäre Deine; denn Du bist Profi auf diesem Gebiet, ich nicht.
Gruss Orbit

 

[Joachim]

Hallo Orbit,

Eine wäre immerhin schon angemeldet, ich meine die von R. Gleichmann. Meine Meinung dazu kennst Du wahrscheinlich, aber massgebender wäre Deine; denn Du bist Profi auf diesem Gebiet, ich nicht.

Ganz mein Fachgebiet ist das auch nicht. Ich bin Atom- und Molekülspezialist. Aber ein paar Ideen habe ich schon:

Erstens ist natürlich auch das Standardmodell nicht abgemeldet. Es beschreibt immerhin das Neutron schon lange als aus positiv und negativ geladenen Partonen bestehend. Diese Vorhersage wird mit diesen Messungen bestätigt. Ob es quantenchomodynamische Rechnungen gibt, die dieses Muster qualitativ bestätigen weiß ich nicht. Die Rechnungen sind wegen der Farbladung der Gluonen kompliziert.

Zweitens denke ich, dass die Gleichmann-Theorie durch diese Messung eher widerlegt als bestätigt wird. Mehr als ein paar Bilder und eine Beschreibung mit Worten gibt es dort ja nicht, aber im groben beschreibt Gleichmann das Neutron und das Proton durch positiv geladene Quarks, die je von negativ geladenen Elektronen umgeben sind. Nach diesem Bild würde man eher die positive Ladung im Zentrum und die negative außen herum erwarten. Und zwar sowohl beim Proton als auch beim Neutron. Dass das Proton überall positiv ist, spricht also eher gegen Gleichmann, der ja das Proton als Neutron mit fehlendem Elektron beschreibt.

Gruß,
Joachim

 

[Orbit]

Also, kommen wir zum Versuch von Gerald A. Miller zurück, dieser modellunabhängigen Bestimmung der Ladungsdichte im Proton und im Neutron.
Weniger Eingeweihte wie ich mögen vorerst mal ein wenig mit mir staunen:
Da wurde uns in Jugendjahren in der Schule erzählt, Atome könne man nicht sehen, die seien zu klein; und Atomkerne, die nochmals 50'000 mal kleiner seien, schon gar nicht. Teilchenbeschleuniger erweiterten aber das Sehen derart, dass man aus Streuversuchen den Radius der Nukleonen von ca. 1,2 Fermi (1,2E-15 m) bestimmen konnte. Und nun ist man so weit, dass man die inneren Strukturen der Nukleonen teilweise indirekt sichtbar machen kann. Der neue Beschleuniger bei DESY (in Wiki unter XFEL zu finden) wird die Sehschärfe nochmals massiv steigern.
Wird man dereinst die einzelnen Quantenzustände knipsen können?
Hier, bei Miller haben wir noch ein verschmiertes Bild, auf dem nicht zu sehen ist, wo sich die Quarkladungen zu jedem beliebigen Zeitpunkt bemerkbar machen. Man sieht einfach, dass beim Proton die Dichte der positiven Ladung nach aussen exponetiell abnimmt und beim Neutron eine seltsame Dreischichtigkeit: negativ - leicht positiv - sehr leicht negativ.

Wie steht es nun mit der Quantisierung der Ladung? Wir haben doch gelernt, dass die up-Quarks positive Zweidrittelsladungen haben und die down-Quarks negative Drittelsladungen. Die sind nicht aus dem Rennen; denn der 'Filmprojektor' von Miller proiiziert nicht Einzelbilder in rascher Folge, wie das ein anständiger Filmprojektor tut, sondern erzeugt das verschmierte Bild, das bei einem kontinuierlichen Durchlauf des Streifens ohne Stopps entsteht.
Das Standardmodell ist damit also keineswegs widerlegt.

Das Interessanteste für mich ist im Moment, dass es offenbar beim Proton und beim Neutron eine verschwindend kleine Ladungsdichte über den aus Streuversuchen bekannten Nukleonenradius (1,2 Fermi) hinaus gibt. Auch bei 2 Fermi ist die noch nicht ganz null.
Hat das Nukleon zwei Aussengrenzen? Eine schärfere innere, die durch die Masse definiert ist und eine weichere äussere Ladungsgrenze?

Herzliche Grüsse
Orbit

 

[Klaus]

Also aus meiner Sicht vielen Dank an alle für die Beiträge und an Mark für die Links auf die Dokumente.
Die oberflächliche negative Ladung der Neutronen macht für einen Laien wie mich zumindest erklärlich, warum selbige überhaupt an Protonen haften bleiben und die Summe dann etwas leichter wird als die Einzeilteilchen.
Nun müßte sich nur noch ein guter Geist finden, der den Energieinhalt der elektrischen Felder an Hand der ermittelten Kurven berechnet und verrät, wieviel Prozent der Energie bzw. Masse der Teilchen sich in diesen verbirgt. Steckt die Masse von Nukleonen nun in deren elektrischen Feldern, oder ist diese Vermutung völliger Unsinn?

 

[ins#1]

Wie kommt man bitte auf die Idee, sowas wie das Standard-Modell, könnte durch eine neue Entdeckung, die man bei einem Elementarteilchen macht, zusammen brechen. Auf solche Gedanken sollte man als Nicht-Physiker niemals und als Physiker, erst nach überreifer Überlegung - wenn überhaupt - kommen (es winkt der Nobelpreis). Das Standard-Modell wird höchstens verfeinert/erweitert. Genau wie bei der RT von Einstein. Auch wenn bei der Quantenmechanik gesunder Menschenverstand nix zu suchen hat, und ich von der dahinter liegenden Mathematik nicht den blassesten Schimmer habe, tippe ich mal darauf, dass die meißten Theorien-von-Allem lediglich auf eine Vereinigung beider Theorien abzielen und nicht versucht wird, eine davon zu Widerlegen.

Wird man dereinst die einzelnen Quantenzustände knipsen können?

Ohne davon eine Ahnung zu haben, jedoch eine Meinung, würde ich behaupten dass man diverse Teilchen aus dem SM niemals direkt zu Sehen bekomen wird. Ich denke es gibt eine Reihe limitierender Faktoren: Viele Teilchen können "allein" nicht lange genug existieren oder werden zu schnell durch ihr Anti-Teilchen wieder ausgelöscht. Oder es scheitert an der Detektion mangels Wechselwirkung und dafür erforderlicher neuer Technologie. Da bleibt oft nur der indirekte Nachweis durch Zerfallsketten oder rein theoretischen Überlegungen, die letztlich in die Mathematik passen müssen, dass es funktioniert. Dann schränkt vielleicht noch die Planck-Zeit/Länge ein oder benötigte Energien, die man nicht aufzubringen vermag.

Die oberflächliche negative Ladung der Neutronen macht für einen Laien wie mich zumindest erklärlich, warum selbige überhaupt an Protonen haften bleiben und die Summe dann etwas leichter wird als die Einzeilteilchen.

Für den Zusammenhalt von Protonen/Neutronen im Atomkern ist die starke Wechselwirkung verantwortlich welche als Austauschteilchen die Gluonen definiert, welche verschiedene Farbladungen einnehmen und den Atomkern zusammenhält.

Gruß
Patrick

 

[Joachim]

Hallo Patrick,

ich kann deinem Posting in allen Teilen fast wörtlich zustimmen. Es kommt vielleicht etwas darauf an, was man unter "zusammenbrechen eines Modells" versteht. Neue Experimente können zum gängigen Modell im Widerspruch stehen. Dann ist eine Erweiterung des Modells gefordert. Manchmal ist dazu sogar ein grundsätzliches Umdenken notwendig (siehe übergang von klassischer Mechanik zur Quantenmechanik).

Damit wären wir beim Thema:
Hallo Orbit,
In diesen Messungen wird der quantenmechanische Grundzustand der Nukleonen untersucht. Man legt Streuprozesse zugrunde, bei denen sich die innere Energie der Teilchen nicht ändert (elastische Stösse). Der Grundzustand ist aber ein Zustand, in dem die Teilchen nicht weiter lokalisiert sind. Die Quarks flitzen nicht im Nukleon umher, sie nehmen als Wellenfunktion den günstigsten Zustand an. Das ist eben die hier gemessene Ladungsverteilung. Würde man nun mit härteren Streuprozessen kleinere Quarks in inneren sehen wollen, so würde man diese Quarks zu sehen bekommen, aber sie wären durch den Prozess erzeugt und würden den Grundzustand unwiederbringlich zerstören.

Übringens wird der neue Beschleuniger XFEL (X-ray Free Electron Laser) kein Teilchenbeschleuniger sein, sondern eine Synchrotronstrahlungsquelle der vierten Generation. Auf den Teraelektronenvolt-Linear-Collider muss man noch warten, bis die internationale Gemeinschaft sich zur Finanzierung durchringen kann. Das Projekt wird deutlich teurer als der XFEL in Hamburg und Schleswig Holstein.

Hi Klaus,

Nun müßte sich nur noch ein guter Geist finden, der den Energieinhalt der elektrischen Felder an Hand der ermittelten Kurven berechnet und verrät, wieviel Prozent der Energie bzw. Masse der Teilchen sich in diesen verbirgt.

Das wird nicht so einfach. Wie Patrick schon schrieb ist hier die starke Wechselwirkung entscheidend. Die wird klassisch durch den Austausch von Pionen vermittelt. Entsprechend deutet der Autor den leicht positiven Teil des Protons und den leicht negativen Bereich des Neutrons als Pionen-dominierten-Bereich. Die Energieabsenkung hängt nun vom Überlapp dieser Pionen und der starken Wechelwirkung ab.

Gruß,
Joachim

 

[Orbit]

Guten Tag @ all
Auch ich möchte, wie Klaus, erst mal danke sagen. Ich hab den Eindruck, dass ich noch nie in einer Forumsdiskussion so weit und so klar (aber vielleicht täuscht mich da meine Kurzsichtigkeit ^^) über meine eigenen Wissensgrenzen hinaus sehen durfte wie hier. Und das ist vor allem auch ein Verdienst von Dir,

Joachim,
der Du es meisterlich verstehst, Bilder von Laien nicht nur sachlich ins richtige Licht zu rücken, sondern sogar mit Deinen wissenschaftlichen Vorstellungen zu verknüpfen.

Darf ich die Aussage am Schluss Deines Beitrags

Entsprechend deutet der Autor den leicht positiven Teil des Protons und den leicht negativen Bereich des Neutrons als Pionen-dominierten-Bereich. Die Energieabsenkung hängt nun vom Überlapp dieser Pionen und der starken Wechelwirkung ab.

als indirekte Antwort auf meine Frage

Das Interessanteste für mich ist im Moment, dass es offenbar beim Proton und beim Neutron eine verschwindend kleine Ladungsdichte über den aus Streuversuchen bekannten Nukleonenradius (1,2 Fermi) hinaus gibt. Auch bei 2 Fermi ist die noch nicht ganz null.
Hat das Nukleon zwei Aussengrenzen? Eine schärfere innere, die durch die Masse definiert ist und eine weichere äussere Ladungsgrenze?

werten und so interpretieren, dass der ausserhalb von 1,2 Fermi liegende, leicht geladene Bereich beider Nukleonen als Überlappzone betrachtet werden darf?
Wohlverstanden, ich meine dabei nicht, dass die Kernbindung durch ein Überlappen dieser geringen elektromagnetischen Ladung zu stande käme, meine aber, dass die em Ladung auch die Reichweite der Farbladungen verrate.

Herzliche Grüsse
Orbit

 

[Joachim]

Hallo Orbit,

Darf ich die Aussage am Schluss Deines Beitrags

als indirekte Antwort auf meine Frage

werten und so interpretieren, dass der ausserhalb von 1,2 Fermi liegende, leicht geladene Bereich beider Nukleonen als Überlappzone betrachtet werden darf?
Wohlverstanden, ich meine dabei nicht, dass die Kernbindung durch ein Überlappen dieser geringen elektromagnetischen Ladung zu stande käme, meine aber, dass die em Ladung auch die Reichweite der Farbladungen verrate.

Du darfst.

Man muss sich klar sein, dass hier nicht die elektrische Feldstärke gemessen wird. Die reicht beim Proton noch sehr viel weiter und wird erst durch die Elektronenwolke im Ångström-Bereich abgeschirmt. Es geht hier um die elektrische Ladungsdichte. Und wo ein Hadron elektrische Ladung hat, da trägt es auch Farbladung. Hier wirkt also auch die starke WW.

Gruß,
Joachim

 

[Klaus]

Für den Zusammenhalt von Protonen/Neutronen im Atomkern ist die starke Wechselwirkung verantwortlich welche als Austauschteilchen die Gluonen definiert, welche verschiedene Farbladungen einnehmen und den Atomkern zusammenhält.

Stimmt natürlich, sonst würde ein Atomkern kaum mehrere gleichartig geladene Protonen beinhalten können.
Ich muß mich dringend mal etwas mit der Kernphysik auseinandersetzen.

 

[F77]

Zweitens denke ich, dass die Gleichmann-Theorie durch diese Messung eher widerlegt als bestätigt wird. Mehr als ein paar Bilder und eine Beschreibung mit Worten gibt es dort ja nicht, aber im groben beschreibt Gleichmann das Neutron und das Proton durch positiv geladene Quarks, die je von negativ geladenen Elektronen umgeben sind. Nach diesem Bild würde man eher die positive Ladung im Zentrum und die negative außen herum erwarten. Und zwar sowohl beim Proton als auch beim Neutron. Dass das Proton überall positiv ist, spricht also eher gegen Gleichmann, der ja das Proton als Neutron mit fehlendem Elektron beschreibt.

Im Zentrum bildet sich sowohl beim Proton als auch beim Neutron ein e- Orbital, wenn ich das richtig verstanden habe. Beim Proton ist dieses Orbital aber deutlich kleiner und dadurch vielleicht nicht mehr detektierbar. Wie du jetzt darauf kommst, dass das Zentrum nach der Hypothese positiv sein muesste (Elektronen sind schliesslich negativ), verstehe ich nicht.

 

[Joachim]

Hi F77,

Im Zentrum bildet sich sowohl beim Proton als auch beim Neutron ein e- Orbital, wenn ich das richtig verstanden habe. Beim Proton ist dieses Orbital aber deutlich kleiner und dadurch vielleicht nicht mehr detektierbar. Wie du jetzt darauf kommst, dass das Zentrum nach der Hypothese positiv sein muesste (Elektronen sind schliesslich negativ), verstehe ich nicht.

Das schließe ich daraus, dass er von s-Orbitalen spricht. Auf Seite 15 seiner Orbitaltheorie stellt Gleichmann Quarks als Gebilde vor, die aus zwei inneren positiven und äußeren negativen Ladungen bestehen. Die Quarks müssen also im Zentrum positiv sein. Allerdings sehe ich, dass er die Quarks so anordnet, dass ihre Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Zentrum verschwindet. Er hat also die Idee von einem hohlen Proton. Auf Seite 16 Abbildung 2 stellt er die Ladungsdichteverteilung des Protons dar und sie sieht überhaupt nicht wie gemessen aus. Ich bleibe also dabei Gleichmanns Theorie ist durch die hier diskutiere Messung falsifiziert.

Zur Ladungsdichteverteilung im Neutron sagt er nichts aus, aber er sagt, dass beim Proton außen ein Elektron fehlt. Also sollte sich außen nicht innen die grösste Änderung zwischen Neutron und Proton bemerkbar machen.

Gruß,
Joachim

 

[Orbit]

Hallo Joachim

In diesen Messungen wird der quantenmechanische Grundzustand der Nukleonen untersucht. Man legt Streuprozesse zugrunde, bei denen sich die innere Energie der Teilchen nicht ändert (elastische Stösse). Der Grundzustand ist aber ein Zustand, in dem die Teilchen nicht weiter lokalisiert sind. Die Quarks flitzen nicht im Nukleon umher, sie nehmen als Wellenfunktion den günstigsten Zustand an. Das ist eben die hier gemessene Ladungsverteilung.

Dazu habe ich ein paar dumme Fragen:
Sind die elektrischen Ladungen also nicht in den Quarks lokalisiert?
Wellenfunktionen haben eine Ausdehnung, die sich (verschmiert, denke ich) in diesen Messdaten widerspiegelt?
Wie überlagern sich em Wellenfunktion und jene der Farbladung?
Sind die sogar deckungsgleich?
Und bei der starken WW überlappen die Wellenfunktionen der Farbladung?

Herzliche Grüsse
Orbit

 

[Joachim]

Hi Orbit,

Sind die elektrischen Ladungen also nicht in den Quarks lokalisiert?

Doch, aber die Quarks sind nicht lokalisiert.

Wellenfunktionen haben eine Ausdehnung, die sich (verschmiert, denke ich) in diesen Messdaten widerspiegelt?

Ja, Wellenfunktionen sind immer ausgedehnt und ihr Betragsquadrat an einem Punkt gibt die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen an diesem Punkt wechselwirkt wird.

Wie überlagern sich em Wellenfunktion und jene der Farbladung?
Sind die sogar deckungsgleich?
Und bei der starken WW überlappen die Wellenfunktionen der Farbladung?

Das ist nicht so einfach zu sagen. Die Messung der Ladungsdichte gibt so etwas wie die Quarkverteilung an. Genauer: 2/3-Up-Quarkdichte minus 1/3-Down-Quarkdichte ist Ladungsdichte. Bei der Farbladungsdichte geht auch noch die Gluonendichte ein. Gluonen tragen ja auch Farbe. Also sind Ladungsdichte und Farbladungsdichte nicht unbedingt Deckungsgleich.

Für eine Wechelwirkung müssen sich die Ladungen nicht überdecken. Sie müssen nur innerhalb der Reichweite sein. Bei der starken WW ist diese sehr kurz.

Gruß,
Joachim

 

[Orbit]

Hallo Joachim
Danke für die klaren Antworten!

Für eine Wechelwirkung müssen sich die Ladungen nicht überdecken. Sie müssen nur innerhalb der Reichweite sein. Bei der starken WW ist diese sehr kurz.

Also dieser Bereich von etwa 0,8 Fermi, welchen ich weiter oben angesprochen habe?

Herzliche Grüsse
Orbit