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DESY News: Das genaueste Bild des Protons
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Das genaueste Bild des Protons
15 Jahre lang wurde an Deutschlands größtem Teilchenbeschleuniger HERA gemessen, weitere acht Jahre wurden die Daten ausgewertet und analysiert. Jetzt haben die Teilchenphysiker der beiden großen HERA-Experimente H1 und ZEUS die weltweit präzisesten Resultate über die innere Struktur und das Verhalten des Protons veröffentlicht. Die Analyse zeichnet ein detailliertes Bild vom brodelnden Teilchensee im Inneren des Teilchens.

Im einzigartigen Teilchenbeschleuniger HERA wurden von 1992 bis 2007 zwei völlig verschiedene Teilchensorten zur Kollision gebracht. HERA besteht daher aus zwei Beschleunigern: dem supraleitenden Protonenring (oben) und dem normalleitenden Elektronenring (unten).
In jedem einzelnen Atomkern unseres Universums befinden sich Protonen. Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass sie sich aus drei Quarks zusammensetzen – zwei up- und ein down-Quark –, die durch die sogenannten Gluonen zusammengehalten werden, die Trägerteilchen der starken Kraft. Dieses Bild zählt zum Wissen, das an Schulen gelehrt wird. Das wahre Innenleben des Protons ist jedoch wesentlich komplexer: Das Proton gleicht einer brodelnden Teilchensuppe, in der Gluonen weitere Gluonen produzieren oder Quark-Antiquark-Paare bilden, die sogenannten Seequarks, die wiederum alle sehr schnell wieder miteinander wechselwirken.

Bei HERA genauestens vermessen: Das Proton besteht nicht nur aus drei Quarks (grün), die von Gluonen (Federn) zusammengehalten werden, sondern es enthält eine „brodelnde Suppe“ aus Gluonen und kurzlebigen Paaren aus Quarks und Antiquarks (orange).
Dabei analysierten die Wissenschaftler die Wahrscheinlichkeit für verschiedene Verhaltensweisen dieser Lepton-Proton-Streuprozesse an beiden Experimenten und verglichen ihre Ergebnisse mit der bestmöglichen Beschreibung der Struktur des Protons, der Theorie der Quantenchromodynamik (QCD). Ergebnis: Die HERA-Ergebnisse stimmen ideal mit der QCD-Theorie überein und zeigen dabei, dass die Struktur des Protons immer dynamischer wird,je höher die Energie ist, bei der sie erkundet wird.

Der Detektor H1 verzeichnete von 1992 bis 2007 etwa eine Milliarde Kollisionen.
In den HERA-Daten konnten die Physiker die beiden Kräfte anhand der Art der Trägerteilchen identifizieren, die die Kräfte vermitteln: Während die elektromagnetische Kraft durch das neutrale Photon vermittelt wird, hat die schwache Kraft sowohl ein neutrales als auch zwei geladene Trägerteilchen, die sogenannten Z- und W-Bosonen. Bei hohen Kollisionsenergien zeigen die H1- und ZEUS-Daten, dass sich beide Kräfte absolut gleich verhalten – ein deutlicher Hinweis auf die elektroschwache Vereinigung.

Der 3600 Tonnen schwere ZEUS-Detektor (hier während Wartungsarbeiten geöffnet) war etwa 20 Meter lang.
Bereits im Jahr 2009 veröffentlichten H1 und ZEUS eine gemeinsame Arbeit über die Struktur des Protons, das allerdings nur auf den Daten des HERA-Betriebs bis zum Jahr 2000 basiert. Mit 600 Zitierungen bis heute ist es eine der am häufigsten zitierten Publikationen auf diesem Gebiet. Die jetzt erschienene Veröffentlichung basiert auf der vierfachen Anzahl an Teilchenkollisionen und enthält auch Daten aus einem speziellen Betrieb von HERA bei unterschiedlichen Teilchenenergien.
Dennoch hinterlassen die Daten auch immer noch Rätsel bei der Überprüfung des Standardmodells der Teilchenphysik. „Besonders bei einem niedrigen Energieübertrag zwischen Elektron und Proton kann die als Bezugstheorie verwendete Quantenchromodynamik unsere Messungen nicht ausreichend beschreiben“, sagt Wing. „Das wird auf alle Fälle etwas sein, auf das Theoretiker und Phänomenologen in Zukunft ein Auge werfen sollten.“