Tief inelastische Streuung

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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

3 7. Nukleonresonanzen e p - e n - N - Streuung mit hoher Auflösung (< fm): Bsp.: Wirkungsquerschnitt hat Maxima ð Substruktur! Invariante Masse von angeregten Zustänen: W ~ pʹ ~ p + q~ M + Pq ~ ~ + q~ M + M Laborsystem : E-E'

4 Nukleonresonanzen: ep Streuung akzeptiere E' in variabel einstellbarem magnetischen Spektrometer Ereignisse zählen, normieren ð W "Kontinuum" inelastische Anregungen es Nukleons [uelle: Povh, Teilchen un Kerne]

5 Nukleonresonanzen Energieübertrag : lorentzinvariant: E Eʹ ~ P q~ M Proton im Laborsystem ruhen: ~ ~ M E E P q~ p, q~ ʹ ~ p q~ M ( E Eʹ ) E Eʹ 0 q M e Invariante Masse: W M + M ( E E') 4EE'sin θ e ð W aus E, θ un E' berechenbar p n. Resonanz: Δ(3): W 3 MeV Δ + π 0 π Hier Δ +, a ep-streuung keine Laung überträgt. p + Später auch Δ ++, Δ +, Δ 0, Δ - Zerfall ð 4 Laungszustäne, 4 I+ ð Isospin I 3/ Breite von Resonanzen: instrumentell oer physikalische Eigenschaft? Nukleon Photon Auslösung in gemessene Größen θ, E, E' ò oft Gauß-verteilt Δ ++ : Γ 00 MeV τ s (Breit-Wigner-verteilt) E t ħ (Unschärferelation) Γ τ ħ Lebensauer Resonanzbreite

6 7. Strukturfunktionen W >.5 GeV: keine Resonanzen mehr, aber viele neue Haronen (inklusive Enzustäne e X ) Elastische Streuung: nur freier Parameter ~ W Pʹ M + M M E gegeben: E', θ, korreliert also: M - 0 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 (, ) 0 e p ~ p (M, 0) e q (, q) X "Haronen" σ E' Ω ( ) σ W (, ) + W (, ) tan θ Ω Mott W (,) magn. WW W (,) elektr. WW

7 ep Streuung, SLAC 975 θ 4, fest o : Schnitte für feste W ò W ( )

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]

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 ð x inelastische Streuung: W > M un aher 0 < x < ð x beschreibt imensionslos ie INELASTIZITÄT von Streuprozessen Verwene imensionslose Strukturfunktionen un : ( x, ) Mc W (, ) magn. WW ( x, ) W (, ) ð aus W kann man ( ), ( ) für feste x extrahieren (lange Messungen!) un elektr. WW zb. Graph p (x, ) : ~ unabhängig von ("Scaling"). ð Strukturfunktion ^ ouriertransformierte er Laungsverteilung ( ) konst ó Laungsverteilung δ-unktion ð Man streut an punktförmigen Konstituenten im Proton!

10 Strukturfunktion es Protons (x) für zwischen un 8 (GeV/c) unabhängig von! [uelle: Povh, Teilchen un Kerne]

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

12 Callan Gross Relation Erinnerung vgl. mit: bile / : vgl. mit Dirac-all: alls man elastisch an punktförmigen Spin ½ Teilchen streut, sollte: ( ) ( ) + 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 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]

14 7.3 Parton Moell ð einfache Interpretation er tief inelastischen ep Streuung wähle geeignetes Bezugssystem vernachlässige transversale Impulse un Ruhemassen er Konstituenten ð longituinale Impulse ó 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": Auflösungsvermögen: # " / q! im Laborsystem: im Breit-System: x Anteil es Vierer (un Dreier-) Impulses es Partons am Gesamtimpuls es Protons " v L! / +! c / Mx! c " B! / c /

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 q ~ 0! 0! q x P anschaulich: x ð x Bruchteil es Viererimpulses es M Nukleons, er vom Proton getragen wir

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 ð 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)

17 Resultate zu Strukturfunktionen aus en- un N- Streuung Valenzquarks x(x) uarks Valenzquarks Antiquarks x (x) Seequarks N en gleicher Verlauf bis auf Laungsfaktor 8/5 x [uelle: Perkins, Introuction to High Energy Physics]

18 Partonen-Impulsverteilung im Nukleon 0 N 8 e N ( x) x ( ) 5 x x ð ca. 50% es Nukleon-Impulses wir von Teilchen getragen, ie weer schwach noch elektromagnetisch wechselwirken. ð Gluonen, g(x) ð auch Spin Strukturfunktionen Gluon Strukturfunktionen Strukturfunktion es Photons meßbar (nur Seequarks) e - e - hohes e + quasi reelles Photon e

19 EMC - Effekt (Ca) / (D) ist nicht konstant Ursache un A-Abhängigkeit nicht verstanen Erwartung [uelle: Bethge, Elementarteilchen un ihre Wechselwirkungen]