Eine Reise in das Innere des Protons
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- Gitta Förstner
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1 Physikalisches Institut, Universität Bonn Antrittsvorlesung 28. Mai 2008
2 Outline: 1 Was ist ein Proton?
3 Outline: 1 Was ist ein Proton? 2 Wie sieht das Innere des Protons aus?
4 Outline: 1 Was ist ein Proton? 2 Wie sieht das Innere des Protons aus? 3 Haben wir das Innere des Protons verstanden?
5 Outline: 1 Was ist ein Proton? 2 Wie sieht das Innere des Protons aus? 3 Haben wir das Innere des Protons verstanden? 4
6 Was ist ein Proton?
7 Aufbau der Materie
8 Aufbau der Materie
9 Aufbau der Materie
10 Aufbau der Materie
11 Aufbau der Materie
12 Aufbau der Materie 1fm = m = 0, m
13 Aufbau der Materie 1fm = m = 0, m
14 Aufbau der Materie 1fm = m = 0, m Größenverhältnisse: Kern Atom Massenverhältnisse: Stecknadelkopf(1mm) Mittelkreis auf Fußballfeld(20m) Kern Kugel beim Kugelstoßen (7277g) Atomhülle Tischtennisball (2.7g)
15 Was ist ein Proton? Protonen sind zusammen mit Neutronen und Elektronen die Bausteine der Materie
16 Was ist ein Proton? Protonen sind zusammen mit Neutronen und Elektronen die Bausteine der Materie Masse: m = 1, kg Protonen
17 Was ist ein Proton? Protonen sind zusammen mit Neutronen und Elektronen die Bausteine der Materie Masse: m = 1, kg Das Proton ist elektrisch positiv geladen. Ladung: 1 Elementarladung e, e = C Protonen e
18 Wie sieht das Innere des Protons aus?
19 Wie lernt man etwas über die Struktur von Objekten?
20 Wie lernt man etwas über die Struktur von Objekten? Prinzip eines Streuexperiments:
21 Prinzip eines Streuexperiments Schieße mit Projektilen auf zu untersuchendes Objekt. Die Winkelverteilung der gestreuten Projektile gibt Aufschluss über die innere Struktur des Objekts. Streuexperimente an Teilchenbeschleunigern sind bis heute das Hauptwerkzeug zur Untersuchung von Teilchen!
22 Was ist ein Proton? Wie sieht das Innere des Protons aus? Haben wir das Innere des Protons verstanden? 1 Zaehlrate Zaehlrate Prinzip eines Streuexperiments Winkel J org Pretz Winkel
23 Prinzip eines Streuexperiments Historische Bemerkung: Rutherford-Experiment (1911): α-teilchen (Heliumkerne) auf Goldfolie
24 Was ist ein Proton? Wie sieht das Innere des Protons aus? Haben wir das Innere des Protons verstanden? 1 Zaehlrate Zaehlrate Prinzip eines Streuexperiments Winkel Winkel Historische Bemerkung: Rutherford-Experiment (1911): Atom sieht eher wie ein Pfirsich als eine Orange aus: H ulle ist fast leer, Masse konzentriert sich auf kleinen Kern. J org Pretz
25 Formfaktor Statt Winkelverteilung direkt zu betrachten, definiere Formfaktor: Formfaktor = gemessene Winkelverteilung Erwartung für Punktteilchen Formfaktor gibt an, wie stark die Ausdehnung eines Teilchens von der Punktförmigkeit abweicht.
26 Formfaktor Formfaktor Räumliche Ausdehnung Beispiel Formfaktor l2 Ladungsdichte Elektron ff Winkel l Radius/fm Formfaktor Ladungsdichte Atomkern Winkel Radius/fm
27 Wie sieht der Formfaktor des Protons aus? Hofstadter 1955 (Nobelpreis 1961): Elektron-Proton-Streuung
28 Räumliche Ausdehnung des Protons 1/(1+x/0.71)^2 Formfaktor Formfaktor Winkel Räumliche Ausdehnung Ladungsdichte Radius/fm Proton
29 Räumliche Ausdehnung des Protons Proton hat endliche Ausdehnung. Radius 1 fm Ladung ist eher im Zentrum konzentriert. Rand ist nicht genau definiert.
30 Elastische inelastische Streuung Bisher elastische Streuung: e + p e + p
31 Elastische inelastische Streuung Bisher elastische Streuung: e + p e + p
32 Elastische inelastische Streuung Bisher elastische Streuung: e + p e + p
33 Elastische inelastische Streuung Bisher elastische Streuung: e + p e + p
34 Elastische inelastische Streuung Bisher elastische Streuung: e + p e + p
35 Elastische inelastische Streuung Bisher elastische Streuung: e + p e + p
36 Elastische inelastische Streuung Bisher elastische Streuung: e + p e + p
37 Elastische inelastische Streuung Was passiert, wenn man Protonen mit Elektronen höherer Energie beschießt?
38 Elastische inelastische Streuung Was passiert, wenn man Protonen mit Elektronen höherer Energie beschießt? Das Proton bricht auseinander (Inelastische Streuung): e + p e + X
39 Elastische inelastische Streuung Was passiert, wenn man Protonen mit Elektronen höherer Energie beschießt? Das Proton bricht auseinander (Inelastische Streuung): e + p e + X
40 Elastische inelastische Streuung Was passiert, wenn man Protonen mit Elektronen höherer Energie beschießt? Das Proton bricht auseinander (Inelastische Streuung): e + p e + X
41 Elastische inelastische Streuung Was passiert, wenn man Protonen mit Elektronen höherer Energie beschießt? Das Proton bricht auseinander (Inelastische Streuung): e + p e + X
42 Elastische inelastische Streuung Was passiert, wenn man Protonen mit Elektronen höherer Energie beschießt? Das Proton bricht auseinander (Inelastische Streuung): e + p e + X
43 Elastische inelastische Streuung Was passiert, wenn man Protonen mit Elektronen höherer Energie beschießt? Das Proton bricht auseinander (Inelastische Streuung): e + p e + X
44 Elastische inelastische Streuung Was passiert, wenn man Protonen mit Elektronen höherer Energie beschießt? Das Proton bricht auseinander (Inelastische Streuung): e + p e + X
45 Verteilung bei (tief)inelastischer Streuung Messung Vorhersage Punktt. konst. Messung Vorhersage Punktt. Hinweise auf Streuung an punktförmigen Teilchen im Proton! (J. Friedman, H. Kendall, R. Taylor, Ende 1960er, Nobelpreis 1990)
46 Tiefinelastische Streuung Messung Aus dieser Beobachtung ( Vorhersage Punktt. konst.) lässt sich inelastische Streuung auffassen als elastische Streuung an Punktteilchen im Proton.
47 Weitere Experimente mit noch höherer Strahlenergie und größerer Genauigkeit ergeben das folgende Bild des Protons: Streuung am Proton wird als Streuung an Quarks interpretiert. Quarks haben drittelzahlige Ladungen: Quark u d Ladung/e 2/3 1/3
48 Weitere Experimente mit noch höherer Strahlenergie und größerer Genauigkeit ergeben das folgende Bild des Protons: Streuung am Proton wird als Streuung an Quarks interpretiert. Quarks haben drittelzahlige Ladungen: Quark u d Ladung/e 2/3 1/3 Quarks werden durch Gluonen im Proton zusammengehalten
49 Weitere Experimente mit noch höherer Strahlenergie und größerer Genauigkeit ergeben das folgende Bild des Protons: Streuung am Proton wird als Streuung an Quarks interpretiert. Quarks haben drittelzahlige Ladungen: Quark u d Ladung/e 2/3 1/3 Quarks werden durch Gluonen im Proton zusammengehalten Gluonen können Quark-Antiquark-Paare bilden.
50 Dynamisches Bild des Protons:
51 Streuung am Proton im Quarkmodell e + p e + n + π + + π + + π
52 Streuung am Proton im Quarkmodell e + p e + n + π + + π + + π
53 Streuung am Proton im Quarkmodell e + p e + n + π + + π + + π
54 Streuung am Proton im Quarkmodell e + p e + n + π + + π + + π
55 Streuung am Proton im Quarkmodell e + p e + n + π + + π + + π
56 Streuung am Proton im Quarkmodell e + p e + n + π + + π + + π
57 Streuung am Proton im Quarkmodell e + p e + n + π + + π + + π
58 Streuung am Proton im Quarkmodell e + p e + n + π + + π + + π
59 Streuung am Proton im Quarkmodell e + p e + n + π + + π + + π
60 Streuung am Proton im Quarkmodell e + p e + n + π + + π + + π
61 Haben wir das Innere des Protons verstanden?
62 Haben wir das Innere des Protons verstanden? Nein!
63 Eigenschaften des Protons Proton Masse/kg 1, Ladung/e +1
64 Eigenschaften des Protons Proton Masse/kg 1, Ladung/e +1 Für mikroskopische Teilchen tritt noch eine eigentümliche Eigenschaft hinzu: Spin / 1/2 (Eigendrehimpuls) Elektronen, Neutronen, Quarks,... haben ebenfalls einen Spin von 1/2 : Plancksches Wirkungsquantum
65 Was ist Spin? In der klassischen Physik ist mit einem Magnetfeld immer auch ein elektrischer Strom, d.h. Bewegung eines geladenen Teilchens verbunden. Ein Teilchen mit Spin erzeugt auch ein Magnetfeld, wenn es ruht. Bahndrehimpuls Spin (Eigendrehimpuls) n n 2
66 Magnetisches Moment Stärke des mit dem Spin verknüpften Magnetfeld: magnetisches Moment µ. Für ein elementares Teilchen mit Spin 1/2 gilt µ = e 2m Elektron Proton Spin / 1/2 1/2 (Eigendrehimpuls) magnetisches Moment / e 2m 1
67 Magnetisches Moment Stärke des mit dem Spin verknüpften Magnetfeld: magnetisches Moment µ. Für ein elementares Teilchen mit Spin 1/2 gilt µ = e 2m Elektron Proton Spin / 1/2 1/2 (Eigendrehimpuls) magnetisches Moment / e 2m 1 2,79 Historisch war das anomale magnetische Moment der erste Hinweis auf die Substruktur des Protons. (Otto Stern, 1933, Nobelpreis 1941)
68 Kernspintomographie Ausnutzen des Spins in der Medizin: Kernspintomograhie (Magnet-Resonanz- Tomographie)
69 Wie setzt sich der Spin des Protons aus seinen Bestandteilen zusammen? Naives Bild:
70 Wie setzt sich der Spin des Protons aus seinen Bestandteilen zusammen? Realistischeres Bild:
71 Beispiel eines Experimentes, um all dies zu verstehen: COMPASS- Experiment am europäischen Forschungszentrum CERN COMPASS
72
73 COMPASS Experiment
74 COMPASS Experiment
75 COMPASS Experiment
76 COMPASS Experiment Internationale Kollaboration von 200 Physikern aus 15 Ländern Kosten der Experiment-Hardware 30 Millionen Euro Auslesekanäle Pro Jahr etwa 100 TByte = Gigabyte an Daten
77 COMPASS Experiment Internationale Kollaboration von 200 Physikern aus 15 Ländern Kosten der Experiment-Hardware 30 Millionen Euro Auslesekanäle Pro Jahr etwa 100 TByte = Gigabyte an Daten Hauptforschungsziel: Verständnis des komplexen Zusammenspiels von Quarks und Gluonen zum Spin des Protons.
78 COMPASS Experiment Bisherige Forschungsergebnisse des COMPASS-Experiments: Quarkspin trägt nur etwa 25% zum Spin des Protons bei. (Bestätigung früherer Messungen)
79 COMPASS Experiment Bisherige Forschungsergebnisse des COMPASS-Experiments: Quarkspin trägt nur etwa 25% zum Spin des Protons bei. (Bestätigung früherer Messungen) Auch Gluonen tragen weniger zum Protonspin bei, als von den meisten theoretischen Modellen erwartet.
80 COMPASS Experiment Bisherige Forschungsergebnisse des COMPASS-Experiments: Quarkspin trägt nur etwa 25% zum Spin des Protons bei. (Bestätigung früherer Messungen) Auch Gluonen tragen weniger zum Protonspin bei, als von den meisten theoretischen Modellen erwartet. Wie so oft, es werden mehr Fragen aufgeworfen als beantwortet,...
81
82 Was ist ein Proton? Ein Baustein der Atomkerne und wichtiger Bestandteil der Materie.
83 Was ist ein Proton? Ein Baustein der Atomkerne und wichtiger Bestandteil der Materie. Wie sieht das Innere des Protons aus? Es hat eine komplexe, dynamische Struktur aus Quarks und Gluonen.
84 Was ist ein Proton? Ein Baustein der Atomkerne und wichtiger Bestandteil der Materie. Wie sieht das Innere des Protons aus? Es hat eine komplexe, dynamische Struktur aus Quarks und Gluonen. Haben wir das Innere des Protons verstanden? Nein! Obwohl das Proton eines der zuerst entdeckten Teilchen ist und im Aufbau der Materie ein wichtige Rolle spielt, gibt es den Physikern immer noch viele Rätsel auf!
85 Spare
86 Entdeckung des Protons Rutherford -Experiment He N 14 8 O H 1 Beschuss von Bor, Fluor, Neon, Natrium,... mit Heliumkernen lieferten immer einen Wasserstoffkern im Endzustand Wasserstoffkern ist etwas besonders, Bezeichnung Proton
87 Das Quarkmodell der Hadronen Anfang der 1960er Jahre waren über 100 Elementarteilchen bekannt: Proton p, Neutron n, Poinen π +,π,π 0, Kaonen K +, K, K 0, K 0,... Aufgrund ihre Eigenschaften werden diese Teilchen Hadronen genannt. Idee, dass diese wiederum aus elementareren Bausteinen aufgebaut sind Gell-Mann und Ne eman schlugen 1963 das Quarkmodell vor
88 Das Quarkmodell Die Bausteine der Hadronen sind Quarks! Zunächst nur 3+3, mit denen man alle bis dahin bekannten Hadronen aufbauen konnte u (up) d (down) s(strange) Ladung/e 2/3-1/3-1/3 ū d s Ladung/e -2/3 1/3 1/3
89 Das Quarkmodell Die Bausteine der Hadronen sind Quarks! Zunächst nur 3+3, mit denen man alle bis dahin bekannten Hadronen aufbauen konnte u (up) d (down) s(strange) Ladung/e 2/3-1/3-1/3 ū d s Ladung/e -2/3 1/3 1/3 z.b. Proton Neutron Pion p = uud n = ddu π = ūd
90 Das Quarkmodell Die Bausteine der Hadronen sind Quarks! Zunächst nur 3+3, mit denen man alle bis dahin bekannten Hadronen aufbauen konnte u (up) d (down) s(strange) Ladung/e 2/3-1/3-1/3 ū d s Ladung/e -2/3 1/3 1/3 Proton p = uud Ladung = +1e Neutron n = ddu Ladung = 0 Pion π = ūd Ladung = 1e
91 Warum hat man noch nie ein freies Quark gesehen? Im Gegensatz zur Gravitationskraft nimmt die starke Kraft, die zwischen Quarks wirkt mit zunehmenden Abstand zu! Beim Versuch zwei Quarks zu trennen, enstehen neue Quark-Antiquarkpaare: Energie wird in Materie (Quark-Antiquarkpaare) verwandelt (E = mc 2 ) Quarks können aus Prinzip nicht als freie Teilchen beobachtet werden!
92 Zeittafel 1911 Rutherfordversuch Entdeckung des Atomkerns 1919 Entdeckung des Protons als leichtestsn Atomkern 1933 Erste Hinweise auf innere Struktur des Protons 19?? Entdeckung des Neutron 1955 Bestimmung des Protonadius durch elastische Streuung 1963 Quarkmodell 1970 Identifizierung von Quarks als Bausteine des Protons 197? Gluonen tragen wesentlich zum Protonimpuils bei
93 Zeittafel 198? Beginn zur Untersuchung der 198? Spinstruktur des Nukleons >2010 Impuls-Ort-Verteilung
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