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
Frage 1. 2. Aus welchen Teilchen besteht das Proton ? Ist die ganze Wahrheit ?
I. Hadronen
I. 1. Mesonen
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 • • • 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. 3. Quarks
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. 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 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 Quarks (u u d)
II. Rutherford Experiment
II. 1. 1 Das Rutherford Experiment
II. 1. 1. Das Experiment
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 • 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
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
e – p Streuung unter dem HERAMikroskop
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
Bild 1: Bei X=1
Bild 2 : Bei X=1/3
Bild 3: Bei X < 1/3
Bild 4 : Bei X << 1/3
II. 5. Bedeutung von Q^2
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) 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
Wie werden Q^2 und X bei der e-p. Streuung berechnet? (Laborsystem)
III. Theorie
III. 1. Rutherford Formel III. 1. 1. Streuquerschnitt
III. 2. e – p Streuung III. 2. 1. Wirkungsquerschnitt
Schwerpunktsystem e υ Mathematische Umrechnung Schwerpunktsenergie von HERA _______ √ Sep =√ 4 Ee Ep = 320 Gev konstante (Beschleuniger)
Spin in Elektron- Quark Streuung l ∑ Spin = 0
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
2. Bei e υ
Wirkungsquerschnitt „Strukturfunktion“
III. 3. Strukturfunktion F 2
III. 3. 1. Theoretische Beschreibung von F 2 [……. . ] Partonverteilung
IV. Experiment
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 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
V. Bedeutung von F 2
V. 1. 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 = 100 Gev^2
Die Partonverteilung bei Q^2 = 100 Gev^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 (CERN) p → ← p Streuung theor. Vorhersagen nur mit Kenntnis des Proton möglich
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