Wie findet man heraus, welche Teilchen bei einer Kollision entstanden sind?
Auf der Suche nach neuen Elementarteilchen werden an großen Teilchenbeschleunigern wie dem LHC am CERN Bestandteile von Atomkernen mit großer Geschwindigkeit aufeinander geschossen. Bei der Kollision können so neue Teilchen entstehen. In den Umwandlungsprozessen bei der Kollision entstehen aber nicht nur unbekannte Elementarteilchen, sondern vor allem auch viele bereits bekannte Teilchen. Um neue Teilchen nachweisen zu können, ist es daher wichtig, die Energie- und Ladungsbilanz der Gesamtreaktion zu kennen. Da es sich bei Energie und Ladung um Erhaltungsgrößen handelt, können durch ‘fehlende’ Beträge in der Bilanz Rückschlüsse auf bisher nicht beachtete Reaktionsprodukte gezogen werden.
Eine wichtige Größe ist daher das spezifische Ladungs-/Masseverhältnis \(\frac{q}{m}\) der entstandenen Teilchen.
Um dieses Verhältnis zu bestimmen, kann man die Teilchen durch ein starkes Magnetfeld schicken und die Ablenkung der Bahn analysieren. Diesen Versuch kannst du mit einem Fadenstrahlrohr in der Schule durchführen - allerdings nur mit Elektronen.
Wie sich andere Arten von Elementarteilchen in Magnetfeldern verhalten und was passiert, wenn die Teilchen sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen, kannst du mithilfe der CK12-Simulation ‘Teilchenspuren’ untersuchen.
Die Simulation kurz erklärt
Hier geht es zur Simulation
Aufgaben
Wiederholungs-Quiz: Bewegte Ladungen im magnetischen Feld
1.) Frische zunächst dein Grundwissen zum Verhalten bewegter Ladungen im magnetischen Feld auf, z. B. anhand der Simulation oder mithilfe des Grundwissens-Artikels bei LEIFI. Beantworte anschließend die folgenden Quizfragen.
Aufgabe
Teilchenspuren erkennen
2.) Untersuche mit Hilfe der Simulation, wie du anhand der Bahnkurve die folgenden Elementarteilchen voneinander unterscheiden kannst. Beschreibe dazu die Unterschiede in der Bahnkurve und benenne die Teilcheneigenschaften, die diese Unterschiede hervorrufen.
a) Ein Elektron und ein Proton
b) Ein Elektron und ein Positron
c) Ein Myon und ein Neutrino
d) Ein Myon und ein Elektron
Größe von Detektoren
3.) Begründe anhand der Daten der Simulation, warum die Detektoren moderner Teilchenbeschleuniger teilweise Durchmesser von mehreren Metern haben.
Relativistische Korrektur der Teilchenbahn
4.) In dieser Aufgabe sollst du genauer untersuchen, wie sich die hohe Geschwindigkeit der Teilchen auf ihre Kreisbahn auswirkt.
a) Stelle über einen Kraftansatz eine Formel auf, die den Radius der Kreisbahn mit den Größen Ladung \(q\), Masse \(m\), Geschwindigkeit \(v\) und magnetischer Flussdichte \(B\) in Verbindung bringt (Tipp: Lies im Artikel zum Fadenstrahlrohr noch einmal nach).
b) Bestimme mithilfe dieser Formel den klassisch erwarteten Bahnradius für ein Proton mit 95% der Lichtgeschwindigkeit, das in ein Magnetfeld mit der Flussdichte von \(B=4\,\rm{T}\) eintritt.
c) Vergleiche den errechneten Wert mit dem Wert, den du aus der Simulation erhältst. Erkläre die Ursache dieser Abweichung.
d) Zeige, dass die Rechnung aus Teil b.) durch Einführung einer geschwindigkeitsabhängigen Masse $m(v)= \frac{m_0}{\sqrt{1- \frac{v^2}{\rm{c}^2}}}$ korrigiert werden kann.