Große Scheunen, kleine Scheunen, oder – weißt Du, wieviel Teilchen entstehen?

Die Menge der Daten, die Beschleuniger wie der LHC sammeln, werden in „inversen Barns“ oder „inversen Femtobarns“ gemessen -beispielsweise wird erwartet, dass die Experimente des LHC in ihrem diesjährigen Lauf 20 inverse Femtobarns sammeln. Gerade wurde vermeldet, dass das erste fünftel inverse Femtobarn erreicht wurde

 

Was bedeutet das?

Barn, das englische Wort für Scheune, ist in der Teilchenphysik ein Maß für eine Fläche. Eine Scheune ist im amerikanischen Sprachgebrauch eigentlich etwas, was so groß ist, dass man es bei einer Zielübung nicht verfehlen kann. Je größer die Fläche, um so häufiger trifft man.

barn
Nicht nur am LHC gibt es Barns, sondern auch am Fermilab
(c) Fermilab, Batavia IL

Das physikalische Barn ist aber für Alltagsverhältnisse dennoch extrem winzig, 10^{-28} m^2. Warum ist solch ein kleines Flächenmaß so interessant für Kern- und Teilchenphysiker? Die Bezeichnung kommt aus der Blütezeit der Kernphysik, und in der Welt der Atomkerne ist ein Barn viel, nämlich in etwa die Größe eines schweren Atomkerns wie Uran. In der Teilchenphysik rechnet man heute häufig mit Picobarns oder Femtobarns, also einem Billionstel oder Trillionstel Barn.

Der LHC lässt zwar viele millionen Mal pro Sekunde Teilchen aufeinander treffen, doch etwas Interessantes wie etwa die Erzeugung eines Higgs-Teilchens passiert dabei vergleichsweise selten. Kennt man aber die entsprechenden Barns und inversen Barns, kann jeder sofort ausrechnen, wie häufig gewisse Dinge am LHC vorgekommen sind oder vorkommen werden. Die Formel dafür ist ungefähr so kompliziert wie die für den Preis von 20 Tüten Milch. Hier ist sie:

Anzahl Ereignisse = inverse Barns  * Barns

Beispiel: man würde gerne bis Ende des Jahres 20 inverse Femtobarns sammeln. Die Fläche, die laut Theorie der Produktion eines Higgsteilchens entspricht, kann man in der einschlägigen Literatur nachlesen – es sind so in etwa 44000 Femtobarns für den effizientesten der verschiedenen Produktionswege. Wieviele Higgsteilchen werden demnach dieses Jahr voraussichtlich in den Experimenten des LHC erzeugt? Genau, jeweils ganze 880000 Stück in den Experimenten ATLAS und CMS! Die selbe Rechnung funktioniert natürlich auch für andere Teilchen, deren Fläche für die Erzeugung (den „Produktionsquerschnitt“) man kennt.

So hat jede Teilchenphysikerin die „Barns“ ihrer Lieblingsteilchen, egal ob spekulativ oder real existierend, im Hinterkopf. Sobald von den Experimenten die erreichten „inversen Barns“ verkündet werden, weiß sie sofort, wieviele Teilchen einer bestimmten Sorte schon entstanden sein könnten. Mit etwas mehr Nachdenken kann man dann versuchen abzuschätzen, ob eine einschlägige Entdeckung schon möglich wäre oder nicht. Dazu muss man aber wissen, wie gut man die gewünschten Ereignisse von anderen unterscheiden kann – das ist eine andere Geschichte…

 

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