Die Experimente am HERA Speicherring liefern damit ein mehr als 10fach besseres Auflösungsvermögen als die bisher besten Experimente am CERN und FNAL.
Der Elektron- Proton Speicherring HERA
Der Trick, Elektronen und Protonen mit grosser Energie gegeneinander zu schießen, macht dies erst möglich; hätte man dasselbe Auflösungsvermögen mit der alten Technik des SLAC- Linearbeschleunigers erreichen wollen, so wäre dazu ein Linearbeschleuniger von etwa 6000 km Länge erforderlich gewesen!
Die Ausdehnung von HERA, wenn die Maschine nicht als Speicherring, sondern als Linearbeschleuniger gebaut worden wäre
Der HERA Speicherring gestattet nun die Untersuchung der Eigenschaften des Protons und der Gluonen mit bisher unerreichter Genauigkeit. Vier Experimente mit internationaler Beteiligung, ZEUS, H1, HERMES und HERA-B nehmen an HERA Messungen vor.
Mit Hilfe der hohen Energie von HERA erhält man ein direktes anschauliches Bild des Protons: Ein Elektron trifft auf ein Quark im Proton und stößt es mit großer Wucht heraus. Das Quark ist nicht direkt zu sehen; infolge der gewaltigen Gluonkräfte verwandelt es sich in einen Strom von leichten Kernteilchen (Mesonen), die gebündelt wie ein Jet die Bahn des Quarks markieren. Dies ist bei der hohen HERA Energie direkt zu sehen. Man kann sogar, fast wie im Physikunterricht auf der Schule, die Stoßgesetze im einzelnen an solchen Bildern verifizieren. Ein solches Bild zeigt also besser als viele Worte, dass das Proton wirklich aus Quarks besteht.
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Ein Elektron von 27.5 GeV Energie kollidiert mit einem Quark im Innern des Protons und stößt es mit grosser Wucht heraus. Das Quark bricht auf in einen Jet von Mesonen, das Elektron wird mit einer Energie von 236 GeV zurückgeschleudert. Es hat also bei diesem harten Stoß Energie gewonnen! Die Graphik veranschaulicht diesen Vorgang anhand einer im H1-Detektor beobachteten Reaktion
Der 8 m hohe H1-Detektor |
Die internationale Mannschaft des ZEUS-Detektors |
Das ist aber nicht alles: Die Gluonfäden im Proton
zerbrechen dauernd und bilden Quark-Antiquark-Paare. Es
bildet sich ein dynamisches Gleichgewicht von Gluonen
und Quark-Antiquark-Paaren zusätzlich zu den drei
Valenz-Quarks, die nach dem naiven Bild das
Proton bildeten. Die Analyse von HERA zeigt nun eine
unerwartet hohe Dichte von Gluonen und
Quark-Antiquark-Paaren im Proton. Das Bild zeigt diese
neuen Messungen zusammen mit alten Messungen bei
kleinerer Energie. Die Variable x ist ein Maß
für den Impuls der Quarks im Proton. Mit der
höheren Genauigkeit von HERA erkennt man, dass die
Zahl der Quarks zu kleinen Impulsen hin nicht klein und
konstant ist, wie es frühere Messungen erwarten
ließen, sondern stark ansteigt-eine große
Überraschung.
Die Quarks, Antiquarks und Gluonen bilden also im Proton
einen dichten Brei.
Die Abbildungen zeigen die großen H1 und ZEUS
Detektoren, mit denen diese Messungen durchgeführt
wurden.
Das Proton, nach den Erkenntnissen der HERA Messungen: Ein dichter 'Brei' aus Quarks, Antiquarks und Gluonen.
Die Zahl der Quarks und Antiquarks im Proton als Funktion von x, dem Bruchteil des Quarkimpulses im Proton. Alte Messungen rechts der Markierung lassen nicht den starken Anstieg im Bereich kleiner x-Werte erkennen. Die Messungen bei verschiedenen Werten von Q2, dem Quadrat des Impulsübertrags, zeigen alle dasselbe Verhalten.
Das folgende Bild zeigt eine Übersicht über
die Messungen der Protonstruktur. Dieses Bild
enthält in konzentrierter Form unsere
experimentelle Information über die Struktur des
Protons.
Es repräsentiert eine gewaltige Informationsmenge:
Über vier Größenordnungen in den
Variablen Q2 und x liegen Messungen vor, die
an den meisten Stellen eine Genauigkeit von einigen
Prozent erreichen. Damit stellen diese Messungen einen
echten Prüfstein für die noch ausstehende
theoretische Beschreibung des Protons dar.
Die Protonstrukturfunktion als Funktion von x und Q2, Überblick
über alle Messungen
Wollen wir das Proton wirklich verstehen, so muss die Theorie eine Beschreibung und ein Verständnis dieser Messungen liefern. Diese Frage wird von den QCD Theoretikern als Herausforderung verstanden und hat eine intensive Forschungstätigkeit ausgelöst. Ein Ausdruck für die Bedeutung dieser experimentellen Erkenntnisse ist die Verleihung des Max-Born-Preises der Deutschen Physikalischen Gesellschaft an Prof.John Dainton, den ehemaligen Leiter einer der Experimentiergruppen an HERA.
Verleihung des Max-Born-Preises 1999 der deutschen physikalischen Gesellschaft
an Prof.J.Dainton, Universität Liverpool. Rechts Prof.A.M.Stoneham, Vizepräsident des
'Institute of Physics', links der DPG Präsident Prof.A.M.Bradshaw
(DPG Archiv; wir danken der DPG für das Bild.)
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