Protonen ist kleiner als gedacht

[Kibo]

... haben Forscher eines internationalen Physikerteams heraus gefunden.
Mehr dazu auf Spiegel.de

mfg Kibo

[Volki1729]

Das selbe Thema wird auch von Jörg Rings auf seinem Blog (Science Blogs) diskutiert.

Wen das Thema interessiert, für den ist der link sicher auch interessant.

lg
Volki

[SCHWAR_A]

Hallo,
ist keinem aufgefallen, daß mit diesem 'neuen' Radius 0.84184(67) fm des Protons fast exakt das 4-fache des Radius der Protonen-Compton-Wellenlänge von 0.8412356fm erreicht wird, und zwar bereits innerhalb der angegebenen Standard-Abweichung?
Das wirft gleich die nächsten Fragen auf:
Vermessen wir das Proton oder das nur etwa 8,88-mal größere Myon oder eine Mischung aus beiden?
Kann man überhaupt mit einem größeren und instabilen 'Teilchen' (Myon) ein kleineres stabiles (Proton) genau vermessen?
Ich denke, man wird wohl immer die Resonanz-Einflüsse beider Partner vermessen und daher ungenau bleiben müssen. So gesehen ist der Faktor 4 sogar erstaunlich klein.
Viele Grüße,
Andreas

[Luzifix]

0,8768 Femtometer - dies war der bisher akzeptierte Durchmesser eines Protons.

Wenn man die Elementarladung eines Protons in eine Äquivalenzmasse umrechnet, kommt man auf etwa 1/1000stel der Protonenmasse. In dieser Größenordnung würde ich erwarten, ist die Ausdehnung des Protons unscharf im Heisenbergschen Sinne. Mindestens! Ob das Proton in Wirklichkeit auch da ist, wo sich seine Ladung bemerkbar macht, wage ich gar nicht anzudeuten.

[MGZ]

Hallo,
ist keinem aufgefallen, daß mit diesem 'neuen' Radius 0.84184(67) fm des Protons fast exakt das 4-fache des Radius der Protonen-Compton-Wellenlänge von 0.8412356fm erreicht wird, und zwar bereits innerhalb der angegebenen Standard-Abweichung?
Das wirft gleich die nächsten Fragen auf:
Vermessen wir das Proton oder das nur etwa 8,88-mal größere Myon oder eine Mischung aus beiden?
Kann man überhaupt mit einem größeren und instabilen 'Teilchen' (Myon) ein kleineres stabiles (Proton) genau vermessen?
Ich denke, man wird wohl immer die Resonanz-Einflüsse beider Partner vermessen und daher ungenau bleiben müssen. So gesehen ist der Faktor 4 sogar erstaunlich klein.
Viele Grüße,
Andreas

Wenn man die Elementarladung eines Protons in eine Äquivalenzmasse umrechnet, kommt man auf etwa 1/1000stel der Protonenmasse. In dieser Größenordnung würde ich erwarten, ist die Ausdehnung des Protons unscharf im Heisenbergschen Sinne. Mindestens! Ob das Proton in Wirklichkeit auch da ist, wo sich seine Ladung bemerkbar macht, wage ich gar nicht anzudeuten.

Was redet ihr da für einen Unfug.
Die Comptonwellenlänge des Protons ist von seiner Geschwindigkeit abhängig. Wir vermessen selbstverständlich den Protonenradius so, wie er üblicherweise definiert ist - als Wechselwirkungsquerschnitt für die Reaktion mit sehr schnellen Elementarteilchen. Im Fall des Experiments hängt der Protonenradius mit der Wellenfunktion des Grundzustands von myonischem Wasserstoff zusammen. Die kann man messen, wenn man sich Mühe gibt. Das Myon hat 8,8 mal weniger Masse als das Proton, seine Ausdehnung ist nach allem, was wir wissen, Null.
Resonanz-Einflüsse Weißt du überhaupt, was Resonanz ist?

Es ergibt keinen Sinn, die Ladung des Protons mit seinem Radius zu einer Äquivalenzmasse zu verrechnen, weil das Proton immer noch aus offenbar punktförmigen Quarks besteht. Der Radius hat mit der Heisenbergschen Unschärfe wenig zu tun. Man kann den Radius sauber definieren, obwohl die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Quarks natürlich nach außen hin stetig abnimmt. Und das Proton ist selbstverständlich da, wo sich seine Ladung bemerkbar macht. Wo sollte es denn sonst sein? Eine andere Definition ergibt keinen Sinn.

[SCHWAR_A]

Hallo MGZ,

seine Ausdehnung ist nach allem, was wir wissen, Null.

Wie kann etwas, was keine Ausdehnung hat, wechselwirken? Erst Veränderungen im Raum können etwas bewirken und mit benachbarten Raumanteilen interferieren. Ohne Ausdehnung wäre das nicht möglich, da es dann ja keine 'Nachbarn' gibt. Bist Du da anderer Meinung?
Ich bin mir bewußt, daß Elektronen und Myonen als punktförmige Teilchen angenommen werden. Die Wellenfunktion eines bestimmten Zustandes kann jedoch nicht existieren, ohne Raum einzunehmen, oder etwa doch?
Ist die Annahme, diese Teilchen seien punktförmig, vielleicht nur eine Vereinfachung, um mit ihnen leichter zu rechnen?

Viele Grüße,
Andreas

[MGZ]

Hallo MGZ,
Wie kann etwas, was keine Ausdehnung hat, wechselwirken?

Durch ein Feld bzw durch Austauschbosonen namens Photon, Graviton, Gluon W oder Z

Erst Veränderungen im Raum können etwas bewirken und mit benachbarten Raumanteilen interferieren. Ohne Ausdehnung wäre das nicht möglich, da es dann ja keine 'Nachbarn' gibt. Bist Du da anderer Meinung?

Ein Teilchen kann ein nulldimensionaler Punkt sein. Da besteht absolut kein Widerspruch zum Experiment. Das Feld ist dagegen theoretisch unendlich groß und geht praktisch mit zunehmender Entfernung schnell gegen Null.

Die Wellenfunktion eines bestimmten Zustandes kann jedoch nicht existieren, ohne Raum einzunehmen, oder etwa doch?

Die Wellenfunktion ist der Zustand. Die Wellenfunktion ist ein mathematisches Objekt zur Beschreibung des Teilchens. Wenn du aber den Radius eines Teilchens als Ausdehnung seiner Wellenfunktion definierst, dann bekommst du unsinnige Ergebnisse. Das Elektron könnte dann jede Größe haben. Einige Femtometer in der 1s-Elektronenbahn im Uran-91+-Ion bis zu vielen Metern in Supraleitern, wo sie über den gesamten Festkörper delokalisiert sind.

Ist die Annahme, diese Teilchen seien punktförmig, vielleicht nur eine Vereinfachung, um mit ihnen leichter zu rechnen?

Man rechnet nicht mit Teilchen, sondern mit Zuständen und Operatoren. Dass du das nicht weißt, erklärt einiges .
Wir wissen von Elektron-Elektron-Streuexperimenten, dass das Teilchen auf Dimensionen von 10^-19 Meter noch keinerlei innere Struktur aufweist, sondern sich einfach wie ein punktförmiges Teilchen verhält.

[Luzifix]

Ein Teilchen kann ein nulldimensionaler Punkt sein. Da besteht absolut kein Widerspruch zum Experiment. Das Feld ist dagegen theoretisch unendlich groß und geht praktisch mit zunehmender Entfernung schnell gegen Null.

Hallo!
Es ist sehr schön von Dir und ich bin außerordentlich dankbar, daß mir das noch jemand erklärt: Die Wellenfunktion ist doch die Beschreibung des Feldaspekts eines dualistischen "Teilchens" wie z.B. des Protons. Der Teilchenaspekt wird doch aber durch seine Masse repräsentiert. Meine halbklassische Vorstellung, daß es wenigstens eine gedachte Oberfläche gibt, innerhalb derer man die Masse des Protons annehmen darf, und außerhalb derer man das elektrische Feld findet, das die Elementarladung umgibt oder mutmaßlich umgeben sollte - die ist offenbar falsch? Oder?

[Alex74]

Daß da wo Masse ist auch gleichzeitg etwas sein muß, in das die Masse "hineinpaßt", also ein ausgedehnter Behälter namens Teilchen, leitet sich aus unserer Alltagserfahrung ab, wo alles was schwer ist auch gleichzeitig etwas größer ist.
Auf die Quantenwelt kann man das nicht übertragen.

Gruß Alex

[MGZ]

Die Wellenfunktion ist doch die Beschreibung des Feldaspekts eines dualistischen "Teilchens" wie z.B. des Protons. Der Teilchenaspekt wird doch aber durch seine Masse repräsentiert.

In diesem Fall muss man unterscheiden. Die Masse ist zwar prinzipiell Eigenschaft eines Protons. Sie kann jedoch nicht aus der Wellenfunktion ausgelesen werden, sondern ist ein Parameter in der Wellenfunktion. Je größer die Masse eines Objekts, desto kürzer wird seine Wellenlänge und desto mehr treten seine Quanteneigenschaften in den Hintergrund bis bei großen Massen am Ende die klassische Beschreibung übrig bleibt. Ich brauche die Ruhemasse eines Protons nur einmal zu messen, dann kenne ich die Masse aller Protonen. Im Unterschied zu Ort und Geschwindigkeit des Teilchens.

Meine halbklassische Vorstellung, daß es wenigstens eine gedachte Oberfläche gibt, innerhalb derer man die Masse des Protons annehmen darf, und außerhalb derer man das elektrische Feld findet, das die Elementarladung umgibt oder mutmaßlich umgeben sollte - die ist offenbar falsch? Oder?

Das stimmt, die Vorstellung ist falsch. Der Radius des Protons wird bestimmt durch die Wellenfunktionen der Quarks, aus denen das Proton aufgebaut ist.