EF_10_05 Synchrotron und Elektronen-Synchrotron LK Elektrische Felder

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1 F_0_05 Synhrotron und lektronen-synhrotron LK lektrishe Felder Unterrihtlihe Voraussetzungen: spezielle Relatiitätstheorie Äquialenz Masse-nergie Bewegung geladener Teilhen in elektrishen und agnetishen Feldern Literaturangaben: Chr. Speiher; Bild der Wissenshaft; 7, Verfasser: Peter Bastgen Gyn. rftstadt Lehenih Dr. Jos. Fieger Straße rftstadt

2 LK Physik Jgst: Klausur-Nr. Datu: Aufgabe Abbildung Der Blik in den 6,3 k langen HRA-Tunnel zeigt oben die supraleitenden Magnete des Protonen- Speiherrings und unten den lektronen- Speiherring. (Photo DSY) Abbildung Skizze eines Ringtunnels In eine Synhrotron werden Teilhen in eine sehr hoogenen Magnetfeld in eine Ringtunnel auf annähernd Lihtgeshwindigkeit beshleunigt. Durh Änderung des Magnetfeldes werden sie auf einer Kreisbahn it konstante Radius gehalten ) Leiten Sie den Zusaenhang zwishen erreihter Geshwindigkeit und angelegte Magnetfeld bzw. Frequenz der anzulegenden Wehselspannung her. ) I lektronen Synhrotron werden lektronen in eine Linearbeshleuniger(LINAC II: e-/e+ 450 MeV 70 lang) orbeshleunigt, u dann i Ring (DSY II: 93 Länge) noh weiter beshleunigt zu werden. Welhe Geshwindigkeit (in Bruhteilen on ) besitzen die lektronen bei intritt ins lektronen Synhrotron? 3) I Ring werden sie pro Ulauf it einer Gesatspannung on a. 5 kv beshleunigt. Insgesat halten Sie sih 40 s i Ring auf. Welhe Gesatenergie besitzen sie nah Verlassen des Rings, wenn sie z.b. lektron-proton-stöße ahen?

3 3 Lösung zu a) Gleihsetzen on Lorentzkraft und Zentripetalkraft liefert it relatiistishe Ansatz r q B B q r r q o Für die Frequenz ergibt sih: s t r t f t r r Lösung zu b) Geäß der rel. Beziehung zwishen Masse und nergie gilt: kev MeV %,, I Ring selber kann die Geshwindigkeit kau noh geändert werden. Soit kann die Frequenz konstant bleiben.

4 Lösung zu ) Für die Dauer eines Ulaufes gilt it sehr guter Genauigkeit: U 93 t 0, s Soit durhlaufen die lektronen den Tunnel a. n erfahren dabei eine Gesatenergiezunahe on , s 6 s 4094 al und 9 neu , 0 C5. 000V 9 474, 0 J 9, GeV 805 o 4

5 Aufruhr i Teilhenzoo Das Proton bereitet den Physikern Kopfzerbrehen. Je ehr die leentarteilhen-physiker über das Innere des Protons lernen, u so weniger erstehen sie es. Neue xperiente rütteln sogar a Fundaent des Standardodells. Drei Jahre hatten die Physiker o Ferilab bei Chiago gezögert, bis sie Anfang dieses Jahres die Katze aus de Sak ließen: Quarks - die Grundbausteine der Protonen und Antiprotonen - halten sih offenbar niht an die Spielregeln des Standardodells der Teilhenphysik. Dait war eingetreten, was die Teilhenexperten fürhten wie der Teufel das Weihwasser: Das Standardodell - seit drei Jahrzehnten der heilige Gral der leentarteilhenphysiker - droht seinen unbeflekten Ruf einzubüßen. Was war geshehen? Mit de Teatron-Beshleuniger hatten die Wissenshaftler a Ferilab in den Jahren 99 und 993 Protonen und Antiprotonen it der höhsten jeals erzielten nergie aufeinander geshossen. Dabei ka es häufiger, als an es für punktförige Teilhen erwarten würde, zu Frontalzusaenstößen zwishen den Quarks. Die Crashs errieten sih durh die besonders hohe nergie, it der die Bruhstüke on Protonen und Antiprotonen zur Seite wegspritzten. Die Wissenshaftler a Ferilab waren sih darüber i klaren, daß ihre Veröffentlihung in der Fahwelt zu Spekulationen führen würde - deshalb das lange Zögern. Sogleih warnten sie or oreiligen Shlüssen und erwiesen auf ehrere Möglihkeiten, das rgebnis zu deuten. Trotzde konnten sie niht erhindern, daß in der Öffentlihkeit nur die spektakulärste Deutung diskutiert wurde: Bedeutet die erhöhte Trefferquote, daß Quarks ielleiht doh eine eßbare Ausdehnung haben? Besitzen Quarks a nde gar eine innere Struktur? Daß diese Interpretation zunähst faorisiert wurde, hat auh historishe Gründe. Als Studenten on rnest Rutherford Anfang dieses Jahrhunderts eine Goldfolie it Alpha- Teilhen aus einer radioaktien Quelle beshossen, stellten sie fest, daß die Projektile anhal stark abgelenkt wurden. Rutherford shloß daraus, daß die positie Ladung niht gleihäßig über das Voluen des Atos ershiert sein kann, sondern auf ein hartes Objekt, den Atokern, konzentriert sein uß. Zunähst deuteten die xperiente auf einen punktförigen Atokern hin. rst als Rutherford Jahre später Alpha-Teilhen höherer nergie benutzte, offenbarte der Atokern seine wirklihe Ausdehnung. nde der sehziger Jahre - der Atokern hatte sih längst als spaltbar erwiesen - stand das Proton als unteilbarer Kernbaustein auf de Prüfstand. Sein Radius on etwa eine Fetoeter - der Milliardste Teil eines Mikroeters - war bereits bekannt. Physiker a Stanford Linear Aelerator Center (SLAC) rükten de Proton it hohenergetishen lektronen auf den Leib, die es erstals erlaubten, Details i Inneren des Protons aufzulösen. Aus der Verteilung der gestreuten lektronen shlossen die Forsher, daß die Ladung des Protons auf winzige Objekte konzentriert sein uß. Später wies an nah, daß diese Objekte drittelzahlige Ladungen trugen - die on Murray Gell-Mann postulierten Quarks waren entdekt. A Deutshen lektronen-synhrotron (DSY) in Haburg führt an den in Stanford eingeshlagenen Weg, Protonen it Hilfe on lektronen zu durhleuhten, it de Hadron-lektron-Ringbeshleuniger (HRA) fort. Seit 99 in Betrieb, kann HRA dank seiner höheren nergie etwa hundertal feinere Details des Protons auflösen als ältere 5

6 Anlagen. Den geshärften Blik on HRA haben Forsher unter andere genutzt, u nah einer endlihen Ausdehnung der Quarks zu suhen. Vergeblih: "Wir wissen heute nur, daß ein Quark indestens 300al kleiner als ein Proton ist", faßt Prof. Ralph ihler, Leiter des H-xperients an HRA, die rgebnisse zusaen. Strikte Grenzen erwarten die Wissenshaftler, wenn sie ehr Daten gesaelt haben. Das wird auh nötig sein. Denn die nergie, bei der sih a Ferilab die ersten Abweihungen o Standardodell zeigten, entspriht einer räulihen Auflösung on eine Tausendstel des Protonenradius. Der Beshleuniger a Ferilab erreiht diese höhere nergie, weil er niht lektronen, sondern die assieren Antiprotonen als Sonden erwendet. Die Frage drängt sih also auf: Ist die Welt bei DSY nur deshalb in Ordnung, weil das Raster gröber ist als a Ferilab? Noh sehen Wissenshaftler keinen Grund, das Standardodell über Bord zu werfen. s gibt nälih durhaus andere Auswege aus de derzeitigen Dilea: iner führt über eine zweite Teilhensorte - die Gluonen - die für den nötigen Zusaenhalt unter den Quarks sorgen. Tatsählih sind die drei Quarks in eine Proton - zwei up-quarks it der Ladung plus /3 und ein down-quark it der Ladung inus /3 - in einen See on neutralen "Klebeteilhen" eingebettet, der ständigen Fluktuationen unterliegt. Denn die Gluonen können sih kurzzeitig in "irtuelle" Paare aus eine Quark und seine Antiteilhen erwandeln. Karabolage i Proton Trifft ein lektron auf ein Proton, sendet das lektron ein Photon () aus, das ein Quark aus de Proton herausshlägt. Das getroffene Quark erzeugt ein Bündel neuer Teilhen, die aus der Flugrihtung des Protons abgelenkt werden. Die beiden erbleibenden Quarks zerfallen ebenfalls, fliegen aber in der ursprünglihen Rihtung weiter. Häufig kot es or, daß lektronen auf irtuelle Quarkpaare treffen, die in den Gluonen steken (hier durh Guibänder sybolisiert). So lassen sih indirekt auh die "Klebeteilhen" untersuhen. 6

7 in lektron in HRA kann nun gleiheraßen an eine reellen wie an eine irtuellen Quark gestreut werden. Indirekt läßt sih so auh die Verteilung der elektrish neutralen Gluonen ableiten. Überrasht waren die Forsher bei DSY, wie iele Gluonen sie in eine Proton fanden: I Mittel waren es rund 00, iele daon it Ipulsen, die kau ein Tausendstel des Protonenipulses betragen. "Wir üssen herausfinden, wie die Quarks und Gluonen i Proton erteilt sind und welhen Bruhteil des Protonenipulses diese Teilhen tragen", shlägt Ralph ihler einen Bogen zu den xperienten a Ferilab. Untershätzt an beispielsweise die Zahl der Gluonen it hohe Ipulsanteil, würde an weniger harte Kollisionen zwishen Quarks und Gluonen orhersagen, als tatsählih beobahtet werden. "ine kleine Änderung der Ipulserteilung könnte den ffekt a Ferilab erklären." Der Meinung on Ralph ihler shließen sih derzeit iele Physiker an. Die Konsequenzen wären längst niht so drastish, wie eine endlihe Ausdehnung der Quarks. I Prinzip sollte sih it der Quantenhroodynaik, der Theorie der Quarks und ihrer Wehselwirkung, berehnen lassen, wie die Quarks und Gluonen i Proton erteilt sind. Da diese Rehnungen aber kopliziert sind und auf Näherungen beruhen, wäre an bereit, kleinere Korrekturen der Ipulserteilungen in Kauf zu nehen, solange sie i inklang it bisherigen xperienten stehen. Aber auh eine andere Möglihkeit ziehen die Physiker in Betraht: Die Resultate a Ferilab könnten einfah falsh sein. Obwohl die Arbeitsgruppe ihr Resultat ittlerweile durh neue Daten unterauert hat, liegt bisher noh keine Bestätigung durh andere Forsher or. Mehr noh: ine zweite Arbeitsgruppe, die ebenfalls a Teatron-Beshleuniger experientiert, hat bisher keine Anzeihen für eine Physik jenseits des Standardodells entdeken können. Die zurükhaltenden Reaktionen ieler Wissenshaftler haben also ihre Gründe. Selbst wenn sih die Physiker einigen - ihre Sorgen werden dadurh niht geringer. Problee bereitet auh der Drehipuls der Protonenbestandteile. Genauso wie sih die Ladungen der beiden up-quarks und des down-quarks zur Ladung des Protons addieren, glaubte an, auh seinen inneren Drehipuls, den sogenannten Spin, auf die halbzahligen Spins der drei Quarks zurükführen zu können: Zwei der Spins zeigen in entgegengesetzte Rihtungen und löshen sih aus, der Spin des dritten Quarks ergibt den halbzahligen Spin des Protons. Vor aht Jahren tasteten Forsher a uropäishen Zentru für leentarteilhenphysik (CRN) in Genf Protonen it polarisierten Myonen ab. Die Spins dieser den lektronen sehr ähnlihen Teilhen waren in Flugrihtung ausgerihtet. Je nah Polarisation der beshossenen Protonen änderte sih die Wahrsheinlihkeit für eine Streuung der Myonen. Mit einigen Klizügen errehneten die Physiker daraus den Beitrag der Quarks zu Spin des Protons. Das Resultat war so niedershetternd, daß Forsher seitde on einer "Spinkrise" sprehen: Nur etwa 30 Prozent des Protonenspins gehen auf das Konto der Quarks - itgerehnet der Beitrag der irtuellen Quark-Antiquark-Paare. Nahde das Resultat on ershiedenen Arbeitsgruppen bestätigt wurde, ruhen die Hoffnungen nun auf den Gluonen, die ebenfalls einen Spin tragen. Direkt läßt sih deren Beitrag jedoh niht essen, da sie elektrish neutral sind und on den lektronen shliht ignoriert werden. Weiterhelfen könnte hier das Heres-xperient bei DSY. Denn i Untershied zu anderen xperienten will an niht nur die gestreuten lektronen nahweisen, sondern 7

8 auh Fragente des Protons, die bei der Kollision entstehen. Auf diese Weise öhte an die ershiedenen Beiträge zu Protonenspin genauer aufshlüsseln. Bislang glauben die wenigsten Physiker, daß sih die "Spinkrise" zu einer Krise des Standardodells auswahsen könnte. Wenn aber auh die Gluonen niht des Rätsels Lösung sind, ist guter Rat teuer. Christian Speiher; BdW, Juli 996 8