Quark und Gluonstruktur von Hadronen Seminarvortrag SS 2005

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Quark- und Gluonstruktur von Hadronen Seminarvortrag SS 2005, Zoha Roushan Betreuer: Prof. M. Erdmann

Quark- und Gluonstruktur von Hadronen Seminarvortrag SS 2005, Zoha Roushan Betreuer: Prof. M. Erdmann

Frage 1. 2. Aus welchen Teilchen besteht das Proton ? Ist die ganze Wahrheit

Frage 1. 2. Aus welchen Teilchen besteht das Proton ? Ist die ganze Wahrheit ?

I. Hadronen

I. Hadronen

I. 1. Mesonen

I. 1. Mesonen

I. 1. Mesonen • • • sind zusammengesetzte Teilchen, die nur aus einem Quark

I. 1. Mesonen • • • sind zusammengesetzte Teilchen, die nur aus einem Quark und einem Antiquark bestehen ihre Spins sind ganzzahlig, zählen daher zu den Bosonen sind nicht stabil, kommen also in gewöhnlicher Materie nicht vor werden z. B. in Teilchenbeschleunigern erzeugt Bsp : Pion

I. 2. Baryonen

I. 2. Baryonen

I. 2. Baryonen • • • sind Teilchen , die aus drei Quarks bestehen

I. 2. Baryonen • • • sind Teilchen , die aus drei Quarks bestehen besitzen halbzahlige Spins, zählen daher zu den Fermionen Bsp. : Proton

I. 2. 1. Das Proton • • ist positiv geladen ist das leichteste Baryon

I. 2. 1. Das Proton • • ist positiv geladen ist das leichteste Baryon

I. 3. Quarks

I. 3. Quarks

I. 3. Quarks • • sind nicht als freie Teilchen sichtbar nur als Quark.

I. 3. Quarks • • sind nicht als freie Teilchen sichtbar nur als Quark. Antiquark-Paar oder als 3 Quarks Objekt würde man diese auseinander reißen, würden sich neue Quarkpaare bilden und andere Teilchen entstehen betrachtet man das Proton mit gutem Mikroskop, so ist ein Quarksee zu sehen, bestehend aus Q-Anti. Q-Paaren Quarks kann man in drei Gruppen aufteilen

Gruppe Quarks 1. Gruppe Down Antiquarks Up Anti-Down Anti-Up 2. Gruppe Strange Charm Anti.

Gruppe Quarks 1. Gruppe Down Antiquarks Up Anti-Down Anti-Up 2. Gruppe Strange Charm Anti. Strange 3. Gruppe Bottom Top Anti. Bottom Ladung - 1/3 + 2/3 + 1/3 Anti. Charm Anti-Top - 2/3

l alle Quarks tragen die Farb. Freiheitsgrade rot, blau, grün l Die Quarkstruktur von

l alle Quarks tragen die Farb. Freiheitsgrade rot, blau, grün l Die Quarkstruktur von Protonen und Neutronen besteht aus drei Quarks, von denen jedes eine andere Farbe trägt. Die Addition der Quarkfarben ergibt weiß als direkte Analogie zur additiven Farbmischung in der Optik

Hadronen Mesonen Baryonen Pion ( π+ π- ) Proton ( p ) Quark-Antiquark 3

Hadronen Mesonen Baryonen Pion ( π+ π- ) Proton ( p ) Quark-Antiquark 3 Quarks (u u d)

II. Rutherford Experiment

II. Rutherford Experiment

II. 1. 1 Das Rutherford Experiment

II. 1. 1 Das Rutherford Experiment

II. 1. 1. Das Experiment

II. 1. 1. Das Experiment

II. 1. 1. Das Experiment Ernest Rutherford(1871 -1937) • • • 1906 bis 1913

II. 1. 1. Das Experiment Ernest Rutherford(1871 -1937) • • • 1906 bis 1913 : beschoss Au-Folien mit αTeilchen bestimmte die möglichen Streuwinkel und die Energien der gestreuten α –Teilchen sind fast gleich der Energien der einfallenden α –Teilchen

II. 1. 2 Das Ergebnis

II. 1. 2 Das Ergebnis

II. 1. 2 Das Ergebnis • alle Atome sind aus einem Atomkern und einer

II. 1. 2 Das Ergebnis • alle Atome sind aus einem Atomkern und einer Atomhülle aufgebaut • Atomhülle aus e¯ Atomkern trägt beinahe die gesamte Masse Radius des Atomkerns = 10 ¯ 14 m Anzahl der positiven Elementarladungen im Atomkern ist gleich der Anzahl der Elektronen in der Atomhülle • • •

II. 2. e – p Streuung

II. 2. e – p Streuung

das Elektron (e¯) trifft auf das Proton (p) • über den Austausch eines Kraftteilchens

das Elektron (e¯) trifft auf das Proton (p) • über den Austausch eines Kraftteilchens (γ, Ζ) wird das e¯ gestreut • e¯ fliegt aus der Wechselwirkungszone heraus • bei dem Stoß bricht p meistens auseinander • seine Bruchstücke verlassen den Kollisionspunkt als ein oder mehrere Bündel von Teilchen dadurch die Protonstruktur experimentell zu ermitteln •

II. 3. Das Proton unter dem HERA- Mikroskop

II. 3. Das Proton unter dem HERA- Mikroskop

e – p Streuung unter dem HERAMikroskop

e – p Streuung unter dem HERAMikroskop

Im HERA prallen e¯ auf Protonen l Beim dem stoß dringt e¯ in P

Im HERA prallen e¯ auf Protonen l Beim dem stoß dringt e¯ in P und trifft auf ein Quark (u) l (u) wird aus der P herrausgeschlagen l Es bildet sich neue Bündel von Teilchen die mit e¯ und PBruchstücke in alle Richtungen fliegen l

II. 4. Bedeutung von X

II. 4. Bedeutung von X

Bild 1: Bei X=1

Bild 1: Bei X=1

Bild 2 : Bei X=1/3

Bild 2 : Bei X=1/3

Bild 3: Bei X < 1/3

Bild 3: Bei X < 1/3

Bild 4 : Bei X << 1/3

Bild 4 : Bei X << 1/3

II. 5. Bedeutung von Q^2

II. 5. Bedeutung von Q^2

II. 5. 1 Bei niedrigerer Impulsübertragung Q^2 l l Überträgt das zwischen e¯ und

II. 5. 1 Bei niedrigerer Impulsübertragung Q^2 l l Überträgt das zwischen e¯ und p ausgetauschte Lichtteilchen (Photon γ) nur wenig Impuls (Q^2 klein) , so sieht das Photon nur die Hauptbestandteile des Protons, nämlich die einzelnen Valenzquarks Die Wellenlänge λ ist groß (λ= h /Q^2)

III. 5. 2 Bei höherer Impulsübertragung Q^2 l l Bei höherer Impulsübertragung (Q^2 groß)

III. 5. 2 Bei höherer Impulsübertragung Q^2 l l Bei höherer Impulsübertragung (Q^2 groß) wird die Auflösung des HERA Mikroskops größer – das hochenergetischen Photon enthüllt die brodelnde „Suppe“ aus Quarks, Antiquarks und Glyonen im Proton Die Wellenlänge λ ist klein (λ= h /Q^2)

II. 6. Messung von X und Q^2

II. 6. Messung von X und Q^2

Wie werden Q^2 und X bei der e-p. Streuung berechnet? (Laborsystem)

Wie werden Q^2 und X bei der e-p. Streuung berechnet? (Laborsystem)

III. Theorie

III. Theorie

III. 1. Rutherford Formel III. 1. 1. Streuquerschnitt

III. 1. Rutherford Formel III. 1. 1. Streuquerschnitt

III. 2. e – p Streuung III. 2. 1. Wirkungsquerschnitt

III. 2. e – p Streuung III. 2. 1. Wirkungsquerschnitt

Schwerpunktsystem e υ Mathematische Umrechnung Schwerpunktsenergie von HERA _______ √ Sep =√ 4 Ee

Schwerpunktsystem e υ Mathematische Umrechnung Schwerpunktsenergie von HERA _______ √ Sep =√ 4 Ee Ep = 320 Gev konstante (Beschleuniger)

Spin in Elektron- Quark Streuung l ∑ Spin = 0

Spin in Elektron- Quark Streuung l ∑ Spin = 0

1. Bei e υ - υ – Quark im Proton bei (x, Q^2)finden -

1. Bei e υ - υ – Quark im Proton bei (x, Q^2)finden - x u(x, Q^2) Wahrscheinlichkeit= Partonverteilung

Spin in Elektron- Quark Streuung l ∑ Spin = 1

Spin in Elektron- Quark Streuung l ∑ Spin = 1

2. Bei e υ

2. Bei e υ

Wirkungsquerschnitt „Strukturfunktion“

Wirkungsquerschnitt „Strukturfunktion“

III. 3. Strukturfunktion F 2

III. 3. Strukturfunktion F 2

III. 3. 1. Theoretische Beschreibung von F 2 [……. . ] Partonverteilung

III. 3. 1. Theoretische Beschreibung von F 2 [……. . ] Partonverteilung

IV. Experiment

IV. Experiment

IV. 1. Experimentelle Beschreibung von F 2 IV. 1. 1. e- p Streuung

IV. 1. Experimentelle Beschreibung von F 2 IV. 1. 1. e- p Streuung

Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes Q^2 H 1 und ZEUS zeigen, dass

Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes Q^2 H 1 und ZEUS zeigen, dass die Anzahl der Quarks und Gluonen im Proton bei kleinem Impulsteil dramatisch ansteigt (bei verschiedenen Auflösungen Q^2 des HERA- Mikroskop)

Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes X

Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes X

V. Bedeutung von F 2

V. Bedeutung von F 2

V. 1. F 2 Partonverteilung

V. 1. F 2 Partonverteilung

V. 1. Theoretische Beschreibung von F 2 [……. . ] Partonverteilung

V. 1. Theoretische Beschreibung von F 2 [……. . ] Partonverteilung

Die Partonverteilung bei Q^2 = 1 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 1 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 1 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 1 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 100 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 100 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 100 Gev^2

Die Partonverteilung bei Q^2 = 100 Gev^2

Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes Q^2

Strukturfunktion F 2 des Protons für konstantes Q^2

VI. Zusammenfassung Rutherford-Streuung (Atomaufbau) l e-p Streuung z. B. HERA (Protonaufbau) l Anwendung LHC

VI. Zusammenfassung Rutherford-Streuung (Atomaufbau) l e-p Streuung z. B. HERA (Protonaufbau) l Anwendung LHC (CERN) p → ← p Streuung theor. Vorhersagen nur mit Kenntnis des Proton möglich