Quark- und Gluonstruktur von Hadronen

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

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

3. I . Hadronen

4. I.1. Mesonen

5. 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

6. I.2. Baryonen

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

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

9. I.3.Quarks

10. 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

12. 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

14. II. Rutherford Experiment

15. II.1.1 Das Rutherford Experiment

16. II.1.1. Das Experiment

17. 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

20. II.1.2 Das Ergebnis

21. 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

22. II.2. e – p Streuung

23. 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

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

25. e – p Streuung unter dem HERA-Mikroskop

26. 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

27. II.4.Bedeutung von X

28. 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

32. II.5.Bedeutung von Q^2

33. II.5.1Bei 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)

34. III.5.2Bei 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)

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

38. 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

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

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

45. Spin in Elektron- Quark Streuung • ∑ Spin = 0

46. 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

48. 2. Bei e υ

49. Wirkungsquerschnitt „Strukturfunktion“

50. III.3.Strukturfunktion F2