Struktur des Protons
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Die Struktur des Protons und die starke Kraft Doris Eckstein Doris Eckstein, 30. Januar 2002 Entdeckung des Atomkerns 1909 Atom a q positiv geladener massiver Atomkern rKern » rAtom 10000 » 10 -14 m dN Z 2 1 µ 2 dW E 4 sin 4 q / 2 Ea = 5.5MeV Doris Eckstein, 30. Januar 2002 Ernest Rutherford (1871-1937) H. Geiger und E. Marsden • 1955 R.Hofstadter und R.McAllister elastische ep-Streuung Ee = 188MeV Streuquerschnitt Vermessung des Protons Mott Kurve experimentelle Kurve rProton = (0.74 ± 0.24) ×10 Mott 1929: ds : dW Mott Elektron-Streuung an punktfoermigen Teilchen -15 m Streuwinkel Experimentelle Kurve (-) oberhalb der Vorhersage von Mott (-) ds ds = × f Q2 dW dW Mott ( ) Formfaktor Doris Eckstein, 30. Januar 2002 q Elastische Streuung ep QED e e ep Feynman Diagramme 1949 1 1 ds µ Photonaustausch µ 2 ® 4 Q sin q 2 dW Rutherford g p p f1 , f 2 - unberechenbare Formfaktoren (Ladung, magn. Moment) •elastische Streuung am Proton mit einer Ladungsverteilung r (r ) 2 Q 2 f (Q 2 ) = ò d 3 re iqr r (r ) » 1 + rProton 6 •eD eD : Doris Eckstein, 30. Januar 2002 rNeutron » rProton » 10 -15 m = 1fm = 1Fermi Tief-inelastische Streuung 1969 e¢ e p Ee = 1.5 ... 20 GeV q = 6° ... 26° g X F2 Q 2 = 1... 7 GeV2 Aufloesungsvermoegen µ 1 » 10 -16 m Q Q 2 / GeV 2 ( ) F2 Q 2 ,n ® F2 ( x ) punktfoermige Streuzentren innerhalb des Protons SLAC Doris Eckstein, 30. Januar 2002 x = Impulsanteil der Streuzentren Friedman, Kendall, Taylor F2 ( x, Q 2 ) - eine Funktion der Struktur des Protons P F2 0 u u •strukturlos 1 x •drei freie Valenzquarks d 0 1/3 1 x •drei gebundene Quarks Gluon 0 1/3 0 Doris Eckstein, 30. Januar 2002 1 x x •Valenzquarks •Seequarks •Gluonen Q 2 Gluonen – die Träger der starken Wechselwirkung •Neutrino- und Myon- Streuexperimente der 70er Jahre: •Quarkimpuls nur 1/2 des Protonimpulses •Strukturfunktion F abhängig von ln Q 2 2 •Quanten-Chromo-Dynamik: Vermittlung der starken Kraft durch Gluon-Austausch •Nachweis der Gluonen 3 Jets (PETRA, 1979): e+ q g TASSO Doris Eckstein, 30. Januar 2002 e- q HERA 1992 Protonen: 820 GeV Elektronen: 27.6 GeV Umfang: 6.3 km HERA -Tunnel H1 en Proton Elek tro Doris Eckstein, 30. Januar 2002 nen Elektronen ZEUS nen o t o Pr ep Streuung bei HERA •Presampler FPS e BST p H1 •Vereinigung CJC-COZ 3.Oktober 1990 Doris Eckstein, 30. Januar 2002 ZEUS HERA entdeckt hohe Partondichten 1992 •Überraschender Anstieg zu kleinen Quarkimpulsen x •Theorie der starken Kraft bei hohen Quarkdichten ? •Vorhersage von Reaktionen kosmischer Neutrinos und am pp Beschleuniger LHC Doris Eckstein, 30. Januar 2002 Physik bei kleinen x starke Abhängigkeit von Q2 ¶F2 µ a s × xg 2 ¶ ln Q Gluonen Quarks Doris Eckstein, 30. Januar 2002 Polarisierte ep-Streuung e p HERMES am DESY Doris Eckstein, 30. Januar 2002 Spin(p)=1/2 ? xg1 = xSeq2 (q ­ -q ¯) Vereinigung der elementaren Wechselwirkungen ? • Präzisionsmessung der Kopplungskonstanten der starken Kraft • Suche nach neuen Teilchen und Effekten •HERA2 ab 2002: hoehere Datenrate verbesserte Detektoren starke Kraft log Q FST Doris Eckstein, 30. Januar 2002 Vermessung der Quarks mit HERA Proton e Aufloesungsvermoegen µ 1 » 10 -18 m Q rQuark < rProton 1000 punktfoermige Quarks mit Drittel-Ladung Doris Eckstein, 30. Januar 2002 Fragen 100 Jahre Erforschung der kleinsten Dimension •warum sind Quarks im Proton gebunden? •was ist die Struktur des Neutrons bei kleinen x und grossen Q2? •was ist die korrekte Theorie hoher Partondichtezustände? •sind Quarks und Leptonen elementar? Quark-Gluon Struktur und QCD Doris Eckstein, 30. Januar 2002 •? 2001 1988 Doris Eckstein, 30. Januar 2002