Tief inelastische Streuung
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- Klara Morgenstern
- vor 6 Jahren
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1 Kerne un Teilchen Moerne Experimentalphysik III Vorlesung 7 MICHAEL EINDT INSTITUT ÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK Tief inelastische Streuung KIT Universität es Lanes Baen-Württemberg un nationales orschungszentrum in er Helmholtz-Gemeinschaft
2 Atomphysik Kernphysik Teilchenphysik e - e- e - e - e - p e - e - u Atom Kern Proton λ kleiner, größer Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
3 7. Nukleonresonanzen e p - e n - N - Streuung mit hoher Auflösung (< fm: Bsp.: Wirkungsquerschnitt hat Maxima Substruktur! Invariante Masse von angeregten Zustänen: W ~ p ~ p + q~ M + Pq ~ ~ + q~ M + M Laborsystem : E-E' Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
4 Nukleonresonanzen: ep Streuung akzeptiere E' in variabel einstellbarem magnetischen Spektrometer Ereignisse zählen, normieren W "Kontinuum" inelastische Anregungen es Nukleons [uelle: Povh, Teilchen un Kerne] Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
5 Nukleonresonanzen Energieübertrag : lorentzinvariant: Proton im Laborsystem ruhen: ~ ~ M E E P q~ p, q~ ~ p q~ M ( E E E E 0 q M Invariante Masse: W M + M ( E E' 4EE'sin W aus E, θ un E' berechenbar θ. Resonanz: (3: W 3 MeV e E E Hier +, a ep-streuung keine Laung überträgt. Später auch ++, +, 0, - 4 Laungszustäne, 4 I+ Isospin I 3/ Nukleon ~ P q~ M Photon Breite von Resonanzen: instrumentell oer physikalische Eigenschaft? p e + p n π 0 π + Zerfall Auslösung in gemessene Größen θ, E, E' oft Gauß-verteilt ++ : Γ 00 MeV τ s (Breit-Wigner-verteilt E t ħ (Unschärferelation Γ τ ħ Lebensauer Resonanzbreite Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
6 7. Strukturfunktionen W >.5 GeV: keine Resonanzen mehr, aber viele neue Haronen (inklusive Enzustäne e X Elastische Streuung: nur freier Parameter ~ W P M + M M E gegeben: E', θ, korreliert also: M e p e p ~ (M, 0 q (, q X "Haronen" Inelastische Streuung: Anregungsenergie : W > M un M - > 0 Dynamik wieer mit ormfaktoren beschrieben, ie nun Strukturfunktionen heißen un von zwei unabhängigen Parametern abhängen: (E', θ oer (, σ E' Ω ( σ W (, + W (, tan θ Ω Mott W (, magn. WW W (, elektr. WW Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
7 ep Streuung, SLAC 975 θ 4, fest o : Schnitte für feste W W ( Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
8 Verhältnis W-exp / Mott-W Je größer W, esto langsamer er Abfall im W als unktion von fast konstant Experimentelle Zählraten viel (>00! größer, als für elastische Streuung erwartet: -8 aus Dipol-ormfaktor [uelle: Bethge, Elementarteilchen un ihre Wechselwirkungen] Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
9 Verhältnis W-exp / Mott-W Überraschung: σ/σ Mott fällt bei hohem W kaum mit ab. Dipol-ormfaktor hätte / 8 erwarten lassen ühre Björken'sche Skalenvariable x ein x M P q Grenzfall elastische Streuung: W M, M x inelastische Streuung: W > M un aher 0 < x < x beschreibt imensionslos ie INELASTIZITÄT von Streuprozessen Verwene imensionslose Strukturfunktionen un : ( x, Mc W ( magn. WW, ( x, aus W kann man (, ( für feste x extrahieren (lange Messungen! un zb. Graph p (x, : ~ unabhängig von ("Scaling". Strukturfunktion ^ ouriertransformierte er Laungsverteilung ( konst Laungsverteilung δ-unktion Man streut an punktförmigen Konstituenten im Proton! W ( elektr. WW, Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
10 Strukturfunktion es Protons (x für zwischen un 8 (GeV/c unabhängig von! [uelle: Povh, Teilchen un Kerne] Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
11 Tiefinelastische Streuung un ie Enteckung er uarks Die rei Spektrometer er MIT-SLAC-Experimente: vorne as 8GeV- Spektrometer, ahinter as 0 GeV-Spektrometer, ganz links am Ran ist gerae noch as.6 GeV-Spektrometer zu sehen Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
12 Callan Gross Relation Erinnerung vgl. mit: bile / : ( ( + Ω Ω tan 4 θ σ σ c m Mott Dirac Punkt Spin ½ ( [ ] ( + Ω + Ω Ω tan, (, ( tan, (, ( ' θ σ θ σ σ x Mc x W W E Mott Mott für elastische Streuung an Diracteilchen mit Masse m... ( / /( Mc Mc W W bile / : vgl. mit Dirac-all: alls man elastisch an punktförmigen Spin ½ Teilchen streut, sollte: Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7... ( / Mc W M x m m mit c m x M Mc c Mc c m ( ( x x x Callan Gross Beziehung
13 Exp. Überprüfung er Callan Gross Relation (x x (x für Spin ½ - Konstituenten erfüllt! Die punktförmigen Konstituenten er Nukleonen haben Spin ½. [uelle: Povh, Teilchen un Kerne] Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
14 7.3 Parton Moell einfache Interpretation er tief inelastischen ep Streuung wähle geeignetes Bezugssystem vernachlässige transversale Impulse un Ruhemassen er Konstituenten longituinale Impulse Struktur es Nukleons (Partonen "Partonen" frei im Nukleon heute : gelaene Partonen uarks neutrale Partonen Gluonen ep Streuung inkohärente Überlagerung von elastischen Elektron Parton Wechselwirkungen [ Stoßnäherung, WW-Zeiten sin kurz, Teilchen im Enzustan keine Interaktion ] Interpretation im "Breit System": x Anteil es Vierer (un Dreier- Impulses es Partons am Gesamtimpuls es Protons Auflösungsvermögen: v im Laborsystem: D h / + hc / Mxhc / D h / q r im Breit-System: L D B h / c Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
15 Breit - System Breit System "brick wall frame" - Energieübertrag es virtuellen Photons 0 - Parton wir zurückgestreut wie an fester Wan p -p Elektron Nukleon Parton ɣ Nukleonrest x P ɣ Nukleonrest -x P x P (-x P Parton P Nukleon Labor System Breit System: virtuelles ɣ, überträgt nur Impuls, keine Energie 0r x P anschaulich: x x Bruchteil es Viererimpulses es M Nukleons, er vom Proton getragen wir q~ 0 r q Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
16 Strukturfunktionen im Partonmoell - Nukleon sei aus uarktypen f aufgebaut. elektr. Laung z f e, W für e.m.-streuung z f - Proton : uu, Neutron : u ; uantenzahlen urch "Valenzquarks" geg. - uarks haben Impulsanteile x Verteilungsfunktion: q f (x E (Zahl er uarks mit lavour f im Impulsintervall [x, x+x] - Neben Valenzquarks sin auch "Seequarks" (virtuelle qq-paare im Nukleon vorhanen: q f (x Verteilungsfunktion von f-antiquarks - Neutrale Konstituenten : Gluonen: g(x (x Σ er mit x un z f gewichteten Impulsverteilungen (pro Nukleon ( x x z f ( q f ( x + q f ( x f p (x Exp. Bestimmung aus Streuexp. an H-, D-Kernen mit e, µ oer (koppelt an schwache Laung [ W elektrischer Anteil er WW] D (x ( p (x+ n (x / N (x Auswirkungen es Kernverbans EMC-Effekt (unverstanen Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
17 Resultate zu Strukturfunktionen aus en- un N- Streuung Valenzquarks x(x.0 uarks 0.8 Valenzquarks Antiquarks x (x Seequarks N en gleicher Verlauf bis auf Laungsfaktor 8/5 x [uelle: Perkins, Introuction to High Energy Physics] Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
18 Partonen-Impulsverteilung im Nukleon 0 N 8 e N ( x x ( 5 x x ca. 50% es Nukleon-Impulses wir von Teilchen getragen, ie weer schwach noch elektromagnetisch wechselwirken. Gluonen, g(x auch Spin Strukturfunktionen Gluon Strukturfunktionen Strukturfunktion es Photons meßbar (nur Seequarks e - e - hohes e + quasi reelles Photon e Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
19 EMC - Effekt (Ca / (D ist nicht konstant Ursache un A-Abhängigkeit nicht verstanen Erwartung [uelle: Bethge, Elementarteilchen un ihre Wechselwirkungen] Michael eint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 7
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