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Quark- und Gluonstruktur von Hadronen Seminarvortrag SS 2005, Zoha Roushan Seminarvortrag SS 2005, Zoha Roushan Betreuer: Prof. M.Erdmann.

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1 Quark- und Gluonstruktur von Hadronen Seminarvortrag SS 2005, Zoha Roushan Seminarvortrag SS 2005, Zoha Roushan Betreuer: Prof. M.Erdmann

2 Frage Frage 1. Aus welchen Teilchen besteht das Proton ? 2. Ist die ganze Wahrheit ?

3 I. Hadronen I. Hadronen

4 I.1. Mesonen

5 sind zusammengesetzte Teilchen, die nur aus einem Quark und einem Antiquark bestehen sind zusammengesetzte Teilchen, die nur aus einem Quark und einem Antiquark bestehen ihre Spins sind ganzzahlig, zählen daher zu den Bosonen ihre Spins sind ganzzahlig, zählen daher zu den Bosonen sind nicht stabil, kommen also in gewöhnlicher Materie nicht vor sind nicht stabil, kommen also in gewöhnlicher Materie nicht vor werden z.B. in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden z.B. in Teilchenbeschleunigern erzeugt Bsp : Pion Bsp : Pion

6 I.2. Baryonen

7 I.2. Baryonen I.2. Baryonen sind Teilchen,die aus drei Quarks bestehen sind Teilchen,die aus drei Quarks bestehen besitzen halbzahlige Spins, zählen daher zu den Fermionen besitzen halbzahlige Spins, zählen daher zu den Fermionen Bsp.: Proton Bsp.: Proton

8 I.2.1. Das Proton ist positiv geladen ist positiv geladen ist das leichteste Baryon ist das leichteste Baryon

9 I.3. Quarks

10 I.3. Quarks I.3. Quarks sind nicht als freie Teilchen sichtbar nur als Quark- Antiquark-Paar oder als 3 Quarks Objekt sind nicht als freie Teilchen sichtbar nur als Quark- Antiquark-Paar oder als 3 Quarks Objekt würde man diese auseinander reißen, würden sich neue Quarkpaare bilden und andere Teilchen entstehen würde man diese auseinander reißen, würden sich neue Quarkpaare bilden und andere Teilchen entstehen betrachtet man das Proton mit gutem Mikroskop, so ist ein Quarksee zu sehen, bestehend aus Q-AntiQ-Paaren betrachtet man das Proton mit gutem Mikroskop, so ist ein Quarksee zu sehen, bestehend aus Q-AntiQ-Paaren Quarks kann man in drei Gruppen aufteilen Quarks kann man in drei Gruppen aufteilen

11 GruppeQuarksAntiquarks 1.GruppeDownUpAnti-DownAnti-Up 2.GruppeStrangeCharm Anti- Strange Anti- Charm 3.GruppeBottomTop Anti- Bottom Anti-Top Ladung - 1/3 + 2/3 + 1/3 - 2/3

12 alle Quarks tragen die Farb- Freiheitsgrade alle Quarks tragen die Farb- Freiheitsgrade rot, blau, grün rot, blau, grün Die Quarkstruktur von Protonen und Neutronen besteht aus drei Quarks, von denen jedes eine andere Farbe trägt. Die Addition der Quarkfarben ergibt weiß als direkte Analogie zur additiven Farbmischung in der Optik Die Quarkstruktur von Protonen und Neutronen besteht aus drei Quarks, von denen jedes eine andere Farbe trägt. Die Addition der Quarkfarben ergibt weiß als direkte Analogie zur additiven Farbmischung in der Optik

13 Hadronen Mesonen Pion ( π+ π- ) Quark- Antiquark Baryonen Proton ( p ) 3 Quarks (u u d)

14 II. Rutherford Experiment

15 II.1.1 Das Rutherford Experiment

16 II.1.1. Das Experiment

17 II.1.1. Das Experiment II.1.1. Das Experiment Ernest Rutherford( ) Ernest Rutherford( ) 1906 bis 1913 : beschoss Au-Folien mit α- Teilchen 1906 bis 1913 : beschoss Au-Folien mit α- Teilchen bestimmte die möglichen Streuwinkel und die Energien der gestreuten α –Teilchen bestimmte die möglichen Streuwinkel und die Energien der gestreuten α –Teilchen Energien der gestreuten α –Teilchen sind fast gleich der Energien der einfallenden α –Teilchen Energien der gestreuten α –Teilchen sind fast gleich der Energien der einfallenden α –Teilchen

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20 II.1.2 Das Ergebnis

21 alle Atome sind aus einem Atomkern und einer Atomhülle aufgebaut e ¯ Atomhülle aus e ¯ 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

22 II.2. e – p Streuung

23 das Elektron ( e ¯ ) trifft auf das Proton (p) das Elektron ( e ¯ ) trifft auf das Proton (p) über den Austausch eines Kraftteilchens (γ,Ζ) wird das e ¯ gestreut über den Austausch eines Kraftteilchens (γ,Ζ) wird das e ¯ gestreut e ¯ fliegt aus der Wechselwirkungszone heraus e ¯ fliegt aus der Wechselwirkungszone heraus bei dem Stoß bricht p meistens auseinander bei dem Stoß bricht p meistens auseinander seine Bruchstücke verlassen den Kollisionspunkt als ein oder mehrere Bündel von Teilchen seine Bruchstücke verlassen den Kollisionspunkt als ein oder mehrere Bündel von Teilchen dadurch die Protonstruktur experimentell zu ermitteln dadurch die Protonstruktur experimentell zu ermitteln

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

25 e – p Streuung unter dem HERA- Mikroskop e – p Streuung unter dem HERA- Mikroskop

26 Im HERA prallen e¯ auf Protonen Im HERA prallen e¯ auf Protonen Beim dem stoß dringt e¯ in P und trifft auf ein Quark (u) Beim dem stoß dringt e¯ in P und trifft auf ein Quark (u) (u) wird aus der P herrausgeschlagen (u) wird aus der P herrausgeschlagen Es bildet sich neue Bündel von Teilchen die mit e¯ und P- Bruchstücke in alle Richtungen fliegen Es bildet sich neue Bündel von Teilchen die mit e¯ und P- Bruchstücke in alle Richtungen fliegen

27 II.4. Bedeutung von X

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

29 Bild 2 :Bei X=1/3

30 Bild 3: Bei X < 1/3

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

32 II.5. Bedeutung von Q^2

33 II.5.1 Bei niedrigerer Impulsübertragung Q^2 II.5.1 Bei niedrigerer Impulsübertragung Q^2 Überträgt das zwischen e ¯ und p ausgetauschte Lichtteilchen (Photon γ) nur wenig Impuls (Q^2 klein),so sieht das Photon nur die Hauptbestandteile des Protons, nämlich die einzelnen Valenzquarks Überträgt das zwischen e ¯ und p ausgetauschte Lichtteilchen (Photon γ) nur wenig Impuls (Q^2 klein),so sieht das Photon nur die Hauptbestandteile des Protons, nämlich die einzelnen Valenzquarks Die Wellenlänge λ ist groß ( λ = h /Q^2) Die Wellenlänge λ ist groß ( λ = h /Q^2)

34 III.5.2 Bei höherer Impulsübertragung Q^2 Bei höherer Impulsübertragung (Q^2 groß) wird die Auflösung des HERA Mikroskops größer – das hochenergetischen Photon enthüllt die brodelnde Suppe aus Quarks, Antiquarks und Glyonen im Proton Bei höherer Impulsübertragung (Q^2 groß) wird die Auflösung des HERA Mikroskops größer – das hochenergetischen Photon enthüllt die brodelnde Suppe aus Quarks, Antiquarks und Glyonen im Proton Die Wellenlänge λ ist klein ( λ = h /Q^2) Die Wellenlänge λ ist klein ( λ = h /Q^2)

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

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

39 III. Theorie

40 III.1.Rutherford Formel III.1.1. Streuquerschnitt

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42 III.2. e – p Streuung III.2.1. Wirkungsquerschnitt

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44 Schwerpunktsystem e υ Mathematische Umrechnung Mathematische Umrechnung Schwerpunktsenergie von HERA ____ _______ S ep = 4 E e E p = 320 Gev S ep konstante (Beschleuniger) S ep konstante (Beschleuniger)

45 Spin in Elektron- Quark Streuung Spin = 0 Spin = 0

46 1. Bei e υ 1. Bei e υ - υ – Quark im Proton bei (x,Q^2)finden - x u(x,Q^2) Wahrscheinlichkeit= Partonverteilung

47 Spin in Elektron- Quark Streuung Spin = 1 Spin = 1

48 2. Bei e υ 2. Bei e υ

49 Wirkungsquerschnitt Wirkungsquerschnitt Strukturfunktion Strukturfunktion

50 III.3. Strukturfunktion F 2 III.3. Strukturfunktion F 2

51 III.3.1. Theoretische Beschreibung von F 2 [……..] Partonverteilung

52 IV. Experiment

53 IV.1. Experimentelle IV.1. Experimentelle Beschreibung von F 2 IV.1.1. e- p Streuung

54 Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes Q^2 Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes Q^2 H1 und ZEUS zeigen, dass die Anzahl der Quarks und Gluonen im Proton bei kleinem Impulsteil dramatisch ansteigt (bei verschiedenen Auflösungen Q^2 des HERA- Mikroskop) (bei verschiedenen Auflösungen Q^2 des HERA- Mikroskop)

55 Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes X Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes X

56 V. Bedeutung von F 2

57 V.1. F 2 Partonverteilung

58 V.1. Theoretische Beschreibung von F 2 [……..] Partonverteilung

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

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

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63 Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes Q^2 Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes Q^2

64 VI. Zusammenfassung Rutherford-Streuung (Atomaufbau) Rutherford-Streuung (Atomaufbau) e-p Streuung e-p Streuung z.B. HERA (Protonaufbau) z.B. HERA (Protonaufbau) Anwendung LHC (CERN) Anwendung LHC (CERN) p p Streuung p p Streuung theor.Vorhersagen nur mit Kenntnis des Proton möglich theor.Vorhersagen nur mit Kenntnis des Proton möglich


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