Kollisionsbreite

Kollisionsbreite ist ein Begriff aus der Teilchenphysik, der die Breite eines resonanten Peaks im Verlauf einer Teilchenkollision oder im Invariantmassenspektrum der Zerfallsprodukte beschreibt. Sie ist ein Maß für die Instabilität eines kurzlebigen Zwischenzustands, der im Verlauf der Wechselwirkung entsteht. In der Quantenmechanik steht die Kollisionsbreite in engem Zusammenhang mit der Lebensdauer des Zwischenzustands; sie ist ungefähr der inversen Lebensdauer verbunden, nach der Heisenbergschen Unschärferelation τ ≈ ħ/Γ. Für schmale Resonanzen wird oft eine Breit-Wigner-Verteilung verwendet, deren Vollbreite bei halbem Maximum (FWHM) dem Γ entspricht, wenn die experimentelle Auflösung vernachlässigt wird.

Experimentell wird die Kollisionsbreite durch die Analyse der Invariantmasse der Zerfallsprodukte bestimmt. Die beobachtete Peak-Form ergibt sich aus der natürlichen Breit-Wigner-Verteilung, die durch die Detektorauflösung und weitere Effekte wie Initialzustandsstrahlung (ISR) oder der Energieverbreiterung des Beams konvolviert wird. Dadurch kann die gemessene Breite von der reinen, natürlichen Breite abweichen. Wichtige Einflussfaktoren sind daher die Lebensdauer des Resonanzzustands, die Detektorleistung und die Kollisionsumgebung.

Beispiele aus der Praxis betreffen Z-Boson-Kollisionen, bei denen die natürliche Breite etwa im GeV-Bereich liegt, oder den Higgs-Boson-Zustand, dessen natürliche Breite deutlich kleiner ist und daher besondere Anforderungen an die Messung stellt. Die Kollisionsbreite liefert wichtige Informationen über Kopplungen und Zerfallskanäle eines Partikels und dient der Prüfung des Standardmodells sowie der Suche nach neuen, resonanten Zuständen. See also: Breit-Wigner-Verteilung, Resonanz, Zerfallbreite, Lebensdauer.