Tiefinelastische Streuung am Nukleon Martin Häffner Seminar Kern-und Teilchenphysik WS 14/15 Lehrstuhl: Experimentalphysik I
Gliederung Einleitung: Auflösung von Streuversuchen Rutherford Formfaktoren Tiefinelastische Streuung: SLAC MIT Experiment Beobachtungen Deutung Historische Einordnung Ausblick: Weiterführende Untersuchungen
Auflösung bei Streuversuchen λ=ħ/p Wellenlänge ist abhängig von dem Impuls Höhere Impulse bewirken eine höhere Auflösung und damit die Möglichkeit einer detaillierteren Betrachtung des Targets Um auf die Struktur mit einer Ausdehnung Δx schließen zu können, muss gelten λ<δx Mindestimpuls um bestimmte Auflösung zu erhalten: p ħ/δx (Heisenberg) z.b. Nukleonen mit r= 0,8fm benötigen Energie von mind. 100Mev/c, um aufgelöst zu werden
Ernest Rutherford Rutherford (* 30. August 1871 bis 19. Oktober 1937) Rutherford führte, nachdem erkannt wurde, dass α-teilchen durch Materie abgelenkt werden, zusammen mit Geiger und Marsen Streuversuche an Metallen durch Es entstand das heutige Verständnis vom Atomkern
Rutherford sche Streuversuch Untersucht wurde der Ablenkwinkel von α-teilchen an dünner Goldfolie Beobachtung:-viele α-teilchen durchdrangen die Goldfolie -wenige α-teilchen wurden abgelenkt -einige α-teilchen wurden zurückgelenkt
Folgerung aus Rutherford Streuung α-teilchen werden elastisch an sehr kleinem und massereichen, positiv geladenen Atomkern gestreut Abb.: Atommodell Rutherford
Folgerung aus Rutherford Streuung Rutherford Streuung: Differentielle Wirkungsquerschnitt Beschreibt die Winkelverteilung der gestreuten Teilchen
Mott- Wirkungsquerschnitt Erweiterung des Rutherford Wirkungsquerschnitts Berücksichtigung des Spins bei relativistischer Betrachtung Aufgrund der Helizitätserhaltung werden weniger Teilchen mit einem großen Streuwinkel gestreut
Auflösung bei Streuversuchen Grenzen: Nur bei geringen Energien entspricht der experimentelle Wirkungsquerschnitt dem Mott-Wirkungsquerschnitt Bei Rutherford wurde angenommen, dass an punktförmigen Ladungen gestreut wurde Für diese Annahme muss die Wellenlänge des Elektrons deutlich größer als die räumliche Ausdehnung der Ladung sein Energie bei Rutherford ca. 5MeV/c Energie zur Auflösung eines Nukleons ca. 100Mev/c Energie tiefinelastische Streuung in den 60er Jahren bis zu 25GeV
Formfaktoren Bei größeren Impulsen sieht das Elektron nur einen Teil der Ladung Einführung der Formfaktoren Beschreibung der räumlichen Ausdehnung der Kerne Formfaktor abhängig von Dreierimpulsübertrag q Abbb (Formfaktor s68 Fouriertransformierte der Ladungsverteilung) Experimentelle Bestimmung durch Bestimmung des Verhältnisses des experimentellen und des berechneten Mott-Wirkungsquerschnitts Abbbb (Formfaktor s66)
Abb. S. 69 Formfaktoren
Tiefinelastische Streuung
SLAC-MIT Streuversuch Durchführung erster tiefinelastischer Streuversuche Ende 60er Jahre Kooperation Stanford Universität und Massachusett Institut of Technology Streuversuche mit Elektronen an Linearbeschleuniger mit Energie mit bis zu 25GeV
Tiefinelastisches Streuexperiment Streuung an Wasserstoff bei festem Streuwinkel Energien zwischen 4,5GeV und 20Gev Bestimmung von als Funktion der invarianten Masse W
Messung
Messung und Beobachtungen Wirkungsquerschnitt ist oberhalb des Resonanzbereichs unerwartet hoch!!
Normierter Wirkungsquerschnitt als Funktion von Q² Nur noch geringe Q² abhängigkeit für feste Werte von W>2GeV
Bjorken sche Skalenvariable Lorentinvariante Variable Maß für die Inelastizität des Prozesses x=1 (elastische Streuung) ; 0>x>1 (inelastische Streuung) Dimensionslos Dimensionslose Strukturfunktionen: F 1 (x,q²)=mc² W 1 (Q²,ν) F 2 (x,q²)=νw 2 (Q²,ν)
Erkenntnisse Strukturfunktionen sind nicht von Q² abhängig es wird an punktförmigen Konstituenten gestreut Callan-Gross Beziehung: 2xF 1 (x)=f 2 (x) Verhältnis 2xF 1 (x)/ F 2 (x)=1 Punktförmigen Konstituente haben Spin 1/2
Parton Modell Feynman und Bjorken veröffentlichten Modell zur Substruktur des Protons Partonen als Konstituenten des Protons Tiefinelastische Streuung am Proton ist die inkohärente Summe der elastischen Streuung an den Partonen Bjorken Skalenvariable gibt den Bruchteil des Viererimpulses der Streuung an einem Parton an Durch Gell-Mann wurden die Partonen als Quarks identifiziert
Skalenbrechung Präzisere Messungen zeigten eine geringe Q² Abhängigkeit Strukturfunktion steigt bei kleinen x-werten mit Q² und nimmt bei großen x-werten mit Q² ab
Deutung der Skalenbrechung und Ausblick Keine Hinweise auf endliche Ausdehnung der Quarks Q² Abhängigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Quarks untereinander Gluonenaustausch, Entstehung von virtuellen Quark- Antiquark Paaren (Seequarks) Erweitertes Partonenmodell (durch Hadronentensoren)
Folgeexperimente
Vergleich zu SLAC Experiment
Auszeichnung Jerome Isaac Friedman (* 1930); Henry Way Kendall (1926 1999); Richard Edward Taylor (* 1929) Nobelpreis für Physik 1990 Für Untersuchungen zur tiefinelastischen Streuung und dem Beitrag zur Entwicklung des Quarksmodells
Viele Danke für ihre Aufmerksamkeit!