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

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

I . Hadronen

I.1. Mesonen

I.1. Mesonen sind zusammengesetzte Teilchen, die nur aus einem Quark und einem Antiquark bestehen ihre Spins sind ganzzahlig, zählen daher zu den Bosonen sind nicht stabil, kommen also in gewöhnlicher Materie nicht vor werden z.B. in Teilchenbeschleunigern erzeugt Bsp : Pion

I.2. Baryonen

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

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

I.3. Quarks

I.3. Quarks 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 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

Gruppe Quarks Antiquarks 1.Gruppe Down Up Anti-Down Anti-Up 2.Gruppe Strange Charm Anti-Strange Anti-Charm 3.Gruppe Bottom Top Anti-Bottom Anti-Top Ladung - 1/3 + 2/3 + 1/3 - 2/3

alle Quarks tragen die Farb-Freiheitsgrade 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

II. Rutherford Experiment

II.1.1 Das Rutherford Experiment

II.1.1. Das Experiment

II.1.1. Das Experiment  Ernest Rutherford(1871-1937) 1906 bis 1913 : beschoss Au-Folien mit 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

II.1.2 Das Ergebnis

II.1.2 Das Ergebnis alle Atome sind aus einem Atomkern und einer Atomhülle aufgebaut 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

II.2. e – p Streuung

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

II.3. Das Proton unter dem HERA- Mikroskop

e – p Streuung unter dem HERA-Mikroskop

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

II.4. Bedeutung von X

Bild 1: Bei X=1

Bild 2 : Bei X=1/3

Bild 3: Bei X < 1/3

Bild 4 : Bei X << 1/3

II.5. Bedeutung von 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 Die Wellenlänge λ ist groß (λ= h /Q^2)

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

II.6. Messung von X und Q^2

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

III . Theorie

III.1 .Rutherford Formel III.1.1. Streuquerschnitt

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

Schwerpunktsystem e υ Mathematische Umrechnung Schwerpunktsenergie von HERA ____ _______ √ Sep =√ 4 Ee Ep = 320 Gev Sep konstante (Beschleuniger)

Spin in Elektron- Quark Streuung

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

Spin in Elektron- Quark Streuung

2. Bei e υ 

Wirkungsquerschnitt „Strukturfunktion“

III.3. Strukturfunktion F2

III.3.1. Theoretische Beschreibung von F2 [……..] Partonverteilung

IV. Experiment

IV.1. Experimentelle Beschreibung von F2 IV.1.1. e- p Streuung

Strukturfunktion F2 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)

Strukturfunktion F2 des Protons für konstantes X

V . Bedeutung von F2

V.1. F2 Partonverteilung

V.1. Theoretische Beschreibung von F2 [……..] Partonverteilung

Die Partonverteilung bei Q^2 = 1 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 1 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 100 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 100 Gev^2

Strukturfunktion F2 des Protons für konstantes Q^2

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