1. einleitung 2. der elektrische formfaktor des protons 3
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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