Experimentelle Untersuchungen zur Struktur des Nukleons

 

  1. Einleitung

2. Der elektrische Formfaktor des Protons3. Ergebnisse, die auf eine Abweichung einer       

sphärischen Ladungsverteilung beim Proton bzw. Δ  hinweisen

4. Überprüfung einer Beziehung, die eine statische Größe des Protons mit seinem Anregungsspektrum herstellt

5. Neue Möglichkeiten der Spektroskopie des Anregungsspektrums des Nukleons 

6. Zusammenfassung

p n

Energie(dichte)

“Elementare”Teilchen

Vielteilchen“Emergent phenomena”

  Komplexe Strukturen

Neu-tronen-stern

?Quarks alsQuasiteilchen

e

StrukturenAtome     Quarks : Ähnlichkeiten , neue Herausforderungen! 

Fragen: QCD-Struktur des Vakuums, Masse der Teilchen, Relativistisches Vielteilchenproblem 

1.Einleitung

Näherungen im

Q

“Kopplungskonstanten”

Rahmen der QCD

PerturbativeQCD

ChiraleStörungs-theorie

~100MeV/c ~3 GeV/c

q,g,q-

N N

Vorgehensweisen im Bereich der nicht störungstheoretisch erfassbaren QCD: 

Phänomenologie: Auf der QCD  basierende  ModelleGittereichtheorie    

Elektromagnetische Wechselwirkung 

A J e

e’ * NMeson

                        em

                          ( ) ( ) p A q A

Coulomb       Konvektions-     Spin -

Strom 

Strom: longitudinal                   transversal 

Multipole: Coulomb, Elektrisch, Magnetisch

Projektion des nicht-bekannten hadronischenSystems auf  bekannteGrößen derEl.magn. Wechselwirkung

Elastische Streuung: Kein Energieübertrag, aber Impulsübertrag

p Ppp p’

k k+QQ k

F(Q) = *(k + Q) (k)d3 k

e e’Q

Überlappintegral: Formfaktor

Wirkungsquerschnitt:

dd

dd

Mott

kinE

kinM

kinMf G f G f G1

22

23

2

Elektrischer FormfaktorMagnetischer Formfaktor

Kinematische Größen

2. Der elektrische Formfaktor des Protons

Proton:  FF( Elektrisch, magnetisch) e e’

GD Q

11 0 71( )²²

.

„Dipol“ –Formfaktor

   (r)  

(8   )D

3  r e

„Gute“ Parametrisierung

Im Ortsraum:

Magnetischer Formfaktor am Proton 

dd

dd

     

Mott

E MM

G GG

2 22 2

1 2tan

SLAC-DATA:1986 

Um den elektrischen FF bestimmen zu können Polarisation 

Hier: Strahl + Rückstoßproton 

dd  

      e   ...P

                 dd  

                               A                              A          

 ...P e 

unpol.

....( .. . )G G N E M P GE M N MP G G2 2 2

Asymmetrien 

Elektrischer FFfälltschneller!

Verhältnis :GE

 (p    ( )

)elektrisch

GM magnetischpblau:Dipol,rot:Gem 

Fouriertransformation in den Ortsraum 

Gemessen:

Formfaktoren imImpulsraum

Bei den hohenImpulsüberträgenEigentlich nicht statthaft,aber anschaulich

Sichtbarer Unterschied zwischen Ladungsdichte und Magnetisierungsdichte

3. Ergebnisse, die auf eine Abweichung einer sphärischen Ladungsverteilung beim Proton bzw. Δ hinweisenDie Ladungsverteilung des Nukleons und seiner Resonanzen muss nicht kugelförmig sein: 

Z 3 2  2 (r) 3zQ d r r

Quadrupolmoment: 

Ursachen: Tensorkräfte zwischen Quarks±d-Zustandsbei-mischung in  der Wellenfunktion, Eingluonaustausch?Deformation der Mesonenwolke? 

Experiment: p e e p( , ' ) 0

Übergang

1/2 3/2Spinf ()

o

f ()*

e

e’

Wirkungsquerschnitt für γ* (virtuelles γ): 

dd *

  cos22

       *

0

v A B C

cos *0 0

A A A A

25 2 150 1 02

0 0. cos * . cos *   etc. for B,C

C C

E M Re E M M M M

( ) sin *

sin . . * *

02

21

2

1

2

1 1 1 1 1

0

0 15 0 5

   

Meßgrößen

Θ-Abhängigkeit bestimmt Multipolzusammensetzung

„Out-of-plane“ –Messung:

Elektron

Proton

Messung:

Longitudinale elektrische Quadrupolamplitude--------------------------------------------------------Magnetische Dipolamplitude

Ergebnisse:

Elektrische Quadrupolamplitude---------------------------------------Magnetische Dipolamplitude

Ergebnisse

Mögliche Interpretation der Daten:...Abweichung der sphärischen Symmetrie bei der Ladungsverteilung des Protons und des Δ‘s ...

Aber modellabhängige (Quarkmodell, Skyrmemodell, Pionwolkenmodell ) Aussagen:z.B.:

Pionen-wolke

Ladungsverteilung:  Verteilung beim ProtonProlat! 

Pionen-wolke

Δ: oblat

4.Überprüfung einer Beziehung, die eine statische Größe des Protons mit seinem Anregungsspektrum herstellt

Die experimentelle Bestimmung der  GDH-Summenregel  N

Photonenstreuung: Zusammenhang: Elastische Photonenstreuung zum totalenWirkungsquerschnitt

(total)

Elastische Streuung

Streuamplitude: 

T f i g( , ) ( ) ( ) ( )'* '* 0

: -Polarisation

4 42

422

2 2

24

2 2

2

3

25

fem

gem

( )( )

( )( )

3

α: elektrische-, β:magnetische- , γ: Spin-Polarisierbarkeit 

Optisches Theorem +..GDH Summenregel 

22

23 2 1 22

0

me

d/ /

Meß-größen

Spin:

3/21/2

Experiment: Doppelpolarisation

Detektor:4π-Akzeptanz

GDH-Kollaboration

22

23 2 1 22

0

me

d/ /

Integral innerhalb von10% betätigt!

WeitereDaten:Neutron!

Zu verstehen:Stärkeverteilung

Resultat der Messungen:

5. Neue Möglichkeiten der Spektroskopie des Anregungsspektrums des Nukleons

Magnetisch

Elektrisch

Dipol-anregung

Identifikation und Vermessung der Anregungszustände

Lage, Breite, Quantenzahlen, Zerfallskanäle, 

Stärke der Anregung

Erfordert: PartialwellenanalyseExperiment: Polarisierter Strahl (linear und zirkular) + Target (longitudinal + transversal)

Detektor mit großen Akzeptanzen in Winkel            und Impuls:           Bonn: Crystal barrel + geeigneter          Vorwärtsdetektor, z.Zt.:TAPS Schwergewicht auf den Nachweis von Vielphotonenendzuständen z.B.: Nachweiseffizienz : 

2     70% und  3   36%0

Mit der Auswahl neutraler Kanäle und Zerfälle in Kaskaden, werden gezielt Resonanzanregungen untersucht!

,

 γ + p  p+η+π0

Status of analysis: p ! p � 0 �

s

/GeVs

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

M /GeVπ

0

P

50

M

100

150

200

250

300

350

∆

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

γ p

p π 0

(1232)∆ η

50

100

150

200

250

0

300350

400

s1.8 GeV < < 2 GeV

entrie

sen

tries

Erste Signaturen (M. Ostrick)

 6. Zusammenfassung1. Der elektrische Formfaktor des Protons:Die räumliche Verteilung der elektrischen Ladung ist verschieden zur magnetischen Stromverteilung2. Ergebnisse, die auf eine Abweichung einer sphärischen Ladungs-verteilung beim Proton bzw. Δ hinweisen:Die Ladungsverteilung des Protons/Δ ist nicht sphärisch3. Überprüfung einer Beziehung, die eine statische Größe des Protons mit seinem Anregungsspektrum herstellt:Die GDH-Summenregel für das Proton ist in den Grenzen des Experiments bestätigt!Wie verstehen wir die Stärkeverteilung? 4. Neue Möglichkeiten der Spektroskopie des Anregungsspektrums des Nukleons: Eine neue Generation von Experimenten wird die Daten liefern, die einen großen Schritt zum Verständnis der Nukleonstruktur erlauben