Die Entdeckung des Gluons

Ulrich Scheu

Quelle: http://fourieridea.com

Gliederung

- Beschreibung

- Vorgeschichte

- Postulierung

- Experimenteller Nachweis

- Folgen für die Teilchenphysik

- Ausblick

Was ist das Gluon?

Das Gluon ist ein subatomares Teilchen.

Sein Name kommt von „Glue“ (engl.), was soviel wie „Klebstoff“ bedeutet.

Das Symbol des Gluons ist g.

Eigenschaften des Gluons

Es gibt acht verschiedene Arten von Gluonen.

Das Gluon ist das Austauschteilchen der Starken Wechselwirkung. Es sorgt indirekt für den Zusammenhalt der Atomkerne.

Ein Einschub - Das Helium 3 Atom

Quelle: http://solarscience.msfc.nasa.gov/

Die Protonen müssten sich aufgrund ihrer elektrischen Ladung abstoßen.

Masse der Gluonen

- Gluonen werden als masselos angenommen

- Gluonen besitzen wie Photonen keine Ruhemasse und bewegen sich deswegen mit Lichgeschwindigkeit

Die FarbladungDie Farbladung bildet eine Analogie zur elektrischen Ladung

Das Gluon ist elektrisch neutral. Stattdessen trägt es eine Farbladung.

Die Kombination der Farbladungen gibt die Art des Gluons vor.

Die Farbladung ist für die Starke Wechselwirkung verantwortlich.

Gluonen wechselwirken auch untereinander und sind daher in einem insgesamt farblosen Zustand gebunden (Confinement).

Ein farbloses Gluon existiert nicht.

Physikalische Vorgeschichte

1956 - Erforschung von Protonen an der Stanford University, Kalifornien.

→ Protonen und Neutronen besitzen eine Struktur

(Nobelpreis 1961) Robert Hofstader

Quelle: http://nndb.com/

SLAC Kalifornien

1966 - Das Photon besitzt eine körnige Struktur.

Quelle: www.desy.de

Die Quantentheorie

1964 – Postulierung des Quarks als Bauteile der Hadronen. (Murray Gell-Mann und George Zweig )

→ Existenz Quark ist durch die Versuche am SLAC weiter untermauert (Nobelpreis 1990)

Anfangsproblem / Ausgangssituation

Was hält die Quarks im Proton zusammen?

Was trägt den fehlenden Drehimpuls?

Postulat:

→ Ein neues Teilchen, das Gluon

Quantenchromodynamik - QCD

1973 - aufgestellte Theorie über die starke Wechselwirkung. (Heinrich Leutwyler, Murray Gell-Mann und Harald Fritzsch)

- Analogie zur Quantenelektrodynamik (QED)

- Sie behandelt Teilchen mit Farbladung (chromatisch). Diese Teilchen sind die Gluonen.

Wie kann man das Gluon nachweisen?

Der Nachweis des Gluons

Quelle: http://www.desy.de

Der Wettlauf um den experimentellen Nachweis des Gluons gewann das DESY Institut in Hamburg.

Die Rolle des Speicherrings bei der Entdeckung des Gluons

Der Speicherring war zum Nachweis des Gluons essentiell. Auch guter Bauplanung und Umsetzung ist es zu verdanken, dass das DESY diese Entdeckung für sich verbuchen konnte.

Wissenswertes über den Speicherring

- Großes Vakuum im Inneren (10^-7 Pa)

- ringförmiges Gebilde (Beschleunigungsstrecken und Ablenkmagnete)

- zwei entgegen gerichtete Teilchenstrahlen werden gespeichert

- Magnete halten die Teilchen auf ihrer Bahn

- Kollision in einem Detektor

Vorteile eines Speicherrings

Linearbeschleuniger / Fixed-Target-Experimente:

Ein großer Teil der kinetischen Energie geht bei der Kollision verloren (Impulserhaltung).

Speicherring / Kollisionsexperiment:

Die gesamte Energie steht für die Messung zur Verfügung.

Der PETRA-Speicherring

Quelle: http://www.desy.com

- Elektron-Positron Speicherring zur Untersuchung von Hadronenzerfall.- Bauzeit von 1975 bis 1978 - mit 2.304 Meter Länge damals der größte Speicherring - Elektronen oder Positronen konnten schon damals bis auf ca. 15 GeV beschleunigt werden - internationale Forschung (China, England, Frankreich, Israel, Japan, den Niederlanden, Norwegen und USA )

Die Idee hinter dem Experiment

Auslöschung eines Positrons mit einem Elektron führt über ein Photon zu einem Quark-Antiquark-Paar, dass zu zwei Hadronenstrahlen zerfällt.

→ Bildung einer Zwei-Jet-Struktur

Die Zweit-Jet-Struktur

Quelle: http://pluslucis.univie.ac.at

„Sucht das Gluon in der Positron Elektron Auslöschung“

1976 - John Ellis, Mary Gaillard und Graham Ross veröffentlichen ihre Theorie von der „harten Gluon Bremsstrahlung“.

Nach der Theorie sollte das Gluon in einem dritten Jet sichtbar werden. (ausreichend große Energie)

Experimente an anderen Speicherringen deuten während dem Bau von Petra ebenfalls darauf hin.

Das Gluon wird entdeckt

18.06.1979 - Bjørn Wiik stellt auf der Internationalen Neutrino Konferenz in Norwegen die ersten Ergebnisse vor.

Sau Lan Wu und deren Mitarbeiter Georg Zobering werten die komplizierten Daten mit neuen Methoden aus.

→ Die Drei-Jet-Struktur wird entdeckt.

Die Drei-Jet-Struktur

Quelle: http://pluslucis.univie.ac.at

Paul Söding legte auf der „European Physical Society Conference“ mehrere Plots von Drei-Jet-Strukturen vor.

→ Die harte Bremsstrahlung wurde nachgewiesen, also ist damit auch das Gluon nachgewiesen.

→ Die QCD steht damit ebenfalls.

Weitere Ausarbeitung

- Ähnliche Daten werden an allen Forschungsgruppen des PETRA registriert.

- Untersuchung der Eigenschaften des Gluons (Spin, Kopplungskonstante, Farbladung)

Auszeichnungen

1980 – Die „Tasso Collaboration“ High Energy Physics Preis der Europäischen Physikalischen Gesellschaft

Spezieller Preis für Zusammenarbeit.

Bisher kein Nobelpreis

Ausblick

- PETRA schließlich überholt, Auslagerung de Forschung

- Auch heute noch weitere Arbeit an den ungeklärten Fragen der QCD (Theorien, Analyse)

- Forschung mit neuer Technik (LHC Cern)

Quelle: http://content.answers.com

Das Quark-Gluon-Plasma als „Ursuppe des Universums“ bis Ende 2010 am LHC in Cern. Dadurch könnten wir Einblicke in die ersten Momente unseres Universums erhalten.

Danke für eure Aufmerksamkeit.