Quark- und Gluonstruktur von Quark- und Gluonstruktur von HadronenHadronen

Seminarvortrag SS 2005, Zoha RoushanSeminarvortrag SS 2005, Zoha RoushanBetreuer: Prof. M.ErdmannBetreuer: Prof. M.Erdmann

FrageFrage

1.1. Aus welchen Teilchen besteht das Aus welchen Teilchen besteht das ProtonProton ? ?

2.2. Ist die ganze Wahrheit ? Ist die ganze Wahrheit ?

I . HadronenI . Hadronen

I.1. I.1. MesonenMesonen

I.1.I.1. MesonenMesonen

• sind zusammengesetzte Teilchen, die nur aus sind zusammengesetzte Teilchen, die nur aus einem Quark und einem Antiquark besteheneinem Quark und einem Antiquark bestehen

• ihre Spins sind ganzzahlig, zählen daher zu den ihre Spins sind ganzzahlig, zählen daher zu den BosonenBosonen

• sind nicht stabil, kommen also in gewöhnlicher sind nicht stabil, kommen also in gewöhnlicher Materie nicht vorMaterie nicht vor

• werden z.B. in Teilchenbeschleunigern erzeugtwerden z.B. in Teilchenbeschleunigern erzeugt• Bsp : PionBsp : Pion

I.2. I.2. BaryonenBaryonen

I.2.I.2. BaryonenBaryonen

• sind Teilchen ,die aus drei Quarks sind Teilchen ,die aus drei Quarks bestehenbestehen

• besitzen halbzahlige Spins, zählen daher besitzen halbzahlige Spins, zählen daher zu den Fermionenzu den Fermionen

• Bsp.: ProtonBsp.: Proton

I.2.1.I.2.1. Das ProtonDas Proton

• ist positiv geladenist positiv geladen• ist das leichteste Baryonist das leichteste Baryon

I.3.I.3. QuarksQuarks

I.3.I.3. QuarksQuarks

• sind nicht als freie Teilchen sind nicht als freie Teilchen sichtbar sichtbar nur als Quark- nur als Quark-Antiquark-Paar oder als 3 Antiquark-Paar oder als 3 Quarks Objekt Quarks Objekt

• würde man diese auseinander würde man diese auseinander reißen, würden sich neue reißen, würden sich neue Quarkpaare bilden und andere Quarkpaare bilden und andere Teilchen entstehenTeilchen entstehen

• betrachtet man das Proton mit betrachtet man das Proton mit gutem Mikroskop, so ist ein gutem Mikroskop, so ist ein Quarksee zu sehen, bestehend Quarksee zu sehen, bestehend aus Q-AntiQ-Paarenaus Q-AntiQ-Paaren

• Quarks kann man in drei Quarks kann man in drei Gruppen aufteilenGruppen aufteilen

GruppeGruppe QuarksQuarks AntiquarksAntiquarks

1.Gruppe1.Gruppe DownDown Up Up Anti-DownAnti-Down Anti-Up Anti-Up

2.Gruppe2.Gruppe StrangeStrange CharmCharm Anti-Anti-StrangeStrange

Anti-Anti-CharmCharm

3.Gruppe3.Gruppe BottomBottom TopTop Anti-Anti-BottomBottom

Anti-TopAnti-Top

LadungLadung - 1/3- 1/3 + 2/3+ 2/3 + 1/3+ 1/3 - 2/3- 2/3

alle Quarks tragen die Farb-alle Quarks tragen die Farb-

Freiheitsgrade Freiheitsgrade rotrot, , blaublau, , grüngrün

Die Quarkstruktur von Die Quarkstruktur von Protonen und Neutronen Protonen und Neutronen besteht aus drei Quarks, von besteht aus drei Quarks, von denen jedes eine andere denen jedes eine andere Farbe trägt. Die Addition der Farbe trägt. Die Addition der Quarkfarben ergibt weiß als Quarkfarben ergibt weiß als direkte Analogie zur additiven direkte Analogie zur additiven Farbmischung in der Optik Farbmischung in der Optik

Hadronen

Mesonen Baryonen

Pion ( π+ π- ) Proton ( p )

Quark-Antiquark 3 Quarks (u u d)

II. Rutherford ExperimentII. Rutherford Experiment

II.1.1II.1.1 Das Rutherford Das Rutherford ExperimentExperiment

II.1.1. II.1.1. Das ExperimentDas Experiment

II.1.1. II.1.1. Das ExperimentDas Experiment

Ernest Rutherford(1871-1937)Ernest Rutherford(1871-1937)

• 1906 bis 1913 : beschoss Au-Folien mit 1906 bis 1913 : beschoss Au-Folien mit αα--TeilchenTeilchen

• bestimmte die möglichen Streuwinkel und die bestimmte die möglichen Streuwinkel und die Energien der gestreuten Energien der gestreuten α α –Teilchen–Teilchen

• Energien der gestreuten Energien der gestreuten α α –Teilchen sind fast –Teilchen sind fast gleich der Energien der einfallenden gleich der Energien der einfallenden α α –Teilchen–Teilchen

II.1.2 II.1.2 Das ErgebnisDas Ergebnis

II.1.2 II.1.2 Das ErgebnisDas Ergebnis

• alle Atome sind aus einem Atomkern und einer Atomhülle aufgebaut

• Atomhülle aus ee¯̄ • Atomkern trägt beinahe die gesamte Masse• Radius des Atomkerns = 10 ¯̄ 14 m• Anzahl der positiven Elementarladungen im

Atomkern ist gleich der Anzahl der Elektronen in der Atomhülle

II.2.II.2. e – p Streuung e – p Streuung

• das Elektron (das Elektron (ee¯̄) trifft auf das Proton ) trifft auf das Proton (p)(p)

• über den Austausch eines über den Austausch eines Kraftteilchens (Kraftteilchens (γγ,,ΖΖ)) wird das wird das ee¯̄ gestreutgestreut

• ee¯̄ fliegt aus der fliegt aus der Wechselwirkungszone herausWechselwirkungszone heraus

• bei dem Stoß bricht p meistens bei dem Stoß bricht p meistens auseinanderauseinander

• seine Bruchstücke verlassen den seine Bruchstücke verlassen den Kollisionspunkt als ein oder mehrere Kollisionspunkt als ein oder mehrere Bündel von TeilchenBündel von Teilchen dadurch die Protonstruktur dadurch die Protonstruktur experimentell zu ermitteln experimentell zu ermitteln

II.3.II.3. Das Proton unter dem Das Proton unter dem HERA- MikroskopHERA- Mikroskop

e – p Streuung unter dem HERA-e – p Streuung unter dem HERA-MikroskopMikroskop

Im HERA prallen eIm HERA prallen e¯ auf ¯ auf ProtonenProtonen

Beim dem stoß dringt Beim dem stoß dringt ee¯ in P ¯ in P und trifft auf ein Quark (u)und trifft auf ein Quark (u)

(u) wird aus der P (u) wird aus der P herrausgeschlagen herrausgeschlagen

Es bildet sich neue Bündel von Es bildet sich neue Bündel von Teilchen die mit Teilchen die mit ee¯ und P-¯ und P-Bruchstücke in alle Richtungen Bruchstücke in alle Richtungen fliegenfliegen

II.4.II.4. Bedeutung von XBedeutung von X

Bild 1:Bild 1: Bei X=1Bei X=1

Bild 2 :Bild 2 : Bei X=1/3Bei X=1/3

Bild 3: Bei X < 1/3Bild 3: Bei X < 1/3

Bild 4 :Bild 4 : Bei X << 1/3Bei X << 1/3

II.5.II.5. Bedeutung von Q^2Bedeutung von Q^2

II.5.1II.5.1 Bei niedrigerer Bei niedrigerer Impulsübertragung Q^2Impulsübertragung Q^2

Überträgt das zwischen Überträgt das zwischen ee¯̄ und p ausgetauschte Lichtteilchen und p ausgetauschte Lichtteilchen (Photon (Photon γγ) nur wenig Impuls (Q^2 klein) ,so sieht das Photon nur ) nur wenig Impuls (Q^2 klein) ,so sieht das Photon nur die Hauptbestandteile des Protons, nämlich die einzelnen die Hauptbestandteile des Protons, nämlich die einzelnen Valenzquarks Valenzquarks

Die Wellenlänge Die Wellenlänge λλ ist groß ( ist groß (λλ= h /Q^2)= h /Q^2)

III.5.2III.5.2 Bei höherer Bei höherer Impulsübertragung Q^2Impulsübertragung Q^2

Bei höherer Impulsübertragung (Q^2 groß) wird die Auflösung des Bei höherer Impulsübertragung (Q^2 groß) wird die Auflösung des HERA Mikroskops größer – das hochenergetischen Photon enthüllt HERA Mikroskops größer – das hochenergetischen Photon enthüllt die brodelnde „Suppe“ aus Quarks, Antiquarks und Glyonen im die brodelnde „Suppe“ aus Quarks, Antiquarks und Glyonen im ProtonProton

Die Wellenlänge Die Wellenlänge λλ ist klein ( ist klein (λλ= h /Q^2)= h /Q^2)

II.6.II.6. Messung von X und Q^2 Messung von X und Q^2

Wie werden Q^2 und X bei der e-p-Wie werden Q^2 und X bei der e-p-Streuung berechnet? (Laborsystem)Streuung berechnet? (Laborsystem)

III . TheorieIII . Theorie

III.1 .III.1 .Rutherford FormelRutherford Formel

III.1.1.III.1.1. Streuquerschnitt Streuquerschnitt

III.2.III.2. e – p Streuunge – p Streuung

III.2.1.III.2.1. Wirkungsquerschnitt Wirkungsquerschnitt

Schwerpunktsystem e Schwerpunktsystem e υυ

Mathematische UmrechnungMathematische Umrechnung

Schwerpunktsenergie von HERA ____ _______

√ Sep =√ 4 Ee Ep = 320 Gev

SSepep konstante (Beschleuniger) konstante (Beschleuniger)

Spin in Elektron- Quark StreuungSpin in Elektron- Quark Streuung

∑∑ Spin = 0Spin = 0

1. Bei e 1. Bei e υυ

- - υυ – Quark im Proton bei (x,Q^2)finden – Quark im Proton bei (x,Q^2)finden

- x u(x,Q^2) Wahrscheinlichkeit= - x u(x,Q^2) Wahrscheinlichkeit= PartonverteilungPartonverteilung

Spin in Elektron- Quark StreuungSpin in Elektron- Quark Streuung

∑ ∑ Spin = 1Spin = 1

2. Bei e 2. Bei e υυ

WirkungsquerschnittWirkungsquerschnitt

„ „Strukturfunktion“Strukturfunktion“

III.3.III.3. Strukturfunktion FStrukturfunktion F22

III.3.1.III.3.1. Theoretische Beschreibung Theoretische Beschreibung von Fvon F22

[……..] Partonverteilung[……..] Partonverteilung

IV. ExperimentIV. Experiment

IV.1.IV.1. ExperimentelleExperimentelle

Beschreibung von FBeschreibung von F22

IV.1.1.IV.1.1. e- p Streuung e- p Streuung

Strukturfunktion FStrukturfunktion F22 des Protons für des Protons für konstantes Q^2konstantes Q^2

H1 und ZEUS zeigen, dass die Anzahl der Quarks und Gluonen im Proton bei H1 und ZEUS zeigen, dass die Anzahl der Quarks und Gluonen im Proton bei kleinem Impulsteil dramatisch ansteigtkleinem Impulsteil dramatisch ansteigt

(bei verschiedenen Auflösungen Q^2 des HERA- Mikroskop)(bei verschiedenen Auflösungen Q^2 des HERA- Mikroskop)

Strukturfunktion FStrukturfunktion F22 des Protons für konstantes X des Protons für konstantes X

V . Bedeutung von FV . Bedeutung von F22

V.1.V.1. FF22 Partonverteilung Partonverteilung

V.1. V.1. Theoretische Beschreibung Theoretische Beschreibung von Fvon F22

[……..] Partonverteilung[……..] Partonverteilung

Die Partonverteilung bei Q^2 = 1 Gev^2Die Partonverteilung bei Q^2 = 1 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 1 Gev^2Die Partonverteilung bei Q^2 = 1 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 100 Gev^2Die Partonverteilung bei Q^2 = 100 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 100 Gev^2Die Partonverteilung bei Q^2 = 100 Gev^2

Strukturfunktion FStrukturfunktion F22 des Protons für des Protons für konstantes Q^2konstantes Q^2

VI. ZusammenfassungVI. Zusammenfassung

Rutherford-Streuung Rutherford-Streuung (Atomaufbau) (Atomaufbau)e-p Streuunge-p Streuung z.B. HERA z.B. HERA (Protonaufbau) (Protonaufbau)

AnwendungAnwendung LHC (CERN) LHC (CERN) p p → ←→ ← p Streuung p Streuung theor.Vorhersagen nur mit Kenntnis des theor.Vorhersagen nur mit Kenntnis des

Proton möglichProton möglich