Zusammenstöße von Teilchen: Welche Rollen spielen dabei Wirkungsquerschnitt und Luminosität?

Zusammenstöße von Teilchen gehören zu den wenigen Dingen, aus denen Physiker ihr Wissen über die Natur der kleinsten Dinge ziehen können. Gerade für solche Zusammenstöße werden Elektronen, Protonen und Konsorten in riesigen Beschleunigern auf extrem hohe Energien gebracht und - unter physikalischer Aufsicht - aufeinandergeschossen.

Abwechslung ist dabei vorprogrammiert: Denn wenn sich zwei Teilchen treffen, heißt das noch lange nicht, dass auch immer dasselbe herauskommt.

Niedrige Luminosität: Es kommt nur selten zu Zusammenstößen.

Bei DESYs Beschleuniger HERA beispielsweise werden Elektronen auf Protonen beschleunigt. Passieren kann dabei Vielerlei: So wird das eine Mal ein Elektron stark abgelenkt, ein weiteres Mal nur schwach und beim nächsten Zusammenstoß zerlegt es das Proton vielleicht in seine Einzelteile. Was wann wie passiert, weiß niemand genau. In der Welt der kleinsten Teilchen regiert der Zufall.

Der Wirkungsquerschnitt einer Reaktion beschreibt nun die Wahrscheinlichkeit, dass diese auch eintritt. Eine solche Reaktion könnte beispielsweise sein: Ein Elektron wird um 45 Grad nach oben abgelenkt.

Teilchenphysiker verbringen nun einen großen Teil ihrer Zeit damit, konkrete Zahlen für diese Wahrscheinlichkeiten zu berechnen. Dazu zählen sie, wie oft etwas geschieht, wie oft beispielsweise ein Elektron um 45 Grad nach rechts abgelenkt wird.

Hohe Luminosität: Eine höhere Teilchendichte sorgt für mehr Zusammenstöße.

Man kann sich nun leicht klar machen, dass diese Anzahl davon abhängt, wie häufig sich die Reaktionspartner über den Weg laufen. Wenn die Teilchenstrahlen recht dicht sind, wird mehr passieren, als wenn große Lücken zwischen den einzelnen Teilchen existieren. Daher brauchen die Physiker neben der Anzahl der Reaktionen noch einen Wert für die Chance des "Sich-über-den-Weg-Laufens". Diese Größe heißt Luminosität und hängt vom Teilchen-Beschleuniger ab. Je höher die Luminosität und je höher der Wirkungsquerschnitt einer Reaktion, umso öfter tritt diese Reaktion auch auf.

Um möglichst viel Datenmaterial für Ihre Untersuchungen zu haben, sind Teilchenphysiker daher sehr daran interessiert, die Luminosität eines Beschleunigers zu erhöhen.