Tiefinelastische Streuung

Tiefinelastische Streuung eines Leptons an einem Hadron in führender Ordnung Störungstheorie

Die tiefinelastische Streuung ist eine Streuung eines Elementarteilchens hoher kinetischer Energie, z.B. eines Elektrons, Myons oder Neutrinos, an einem Nukleon mit großem Energie- und Impulsübertrag. Bei solchen Streuvorgängen zeigt sich, dass sehr viel mehr Streuelektronen mit niedriger Energie detektiert werden, als man aufgrund von Resonanzen der Nukleonen, z.B. der Δ-Resonanz, erwartet. Die tiefinelastische Streuung deutet darauf hin, dass Nukleonen aus punktförmigen Konstituenten, Partonen genannt, aufgebaut sind. Es zeigte sich, dass die Partonen die von Murray Gell-Mann postulierten Quarks sind. Die Wechselwirkung der Nukleonen mit den Elektronen geschieht also an Quarks im Nukleon.

Streuexperimente

→ Hauptartikel: Streuung (Physik)

Physikalische Streuexperimente geben Aufschluss über die Struktur von Teilchen. Mit der Rutherford-Streuung zeigte sich, dass ein Atom aus einem kleinen, massereichen, positiv geladenen Atomkern und viel leerem Raum mit den negativ geladenen Elektronen besteht. Die Alphateilchen geben bei der Rutherford-Streuung keine kinetische Energie ab, es handelt sich um eine elastische Streuung.

Die tiefinelastische Streuung ist eine inelastische Streuung an Nukleonen, d.h., die gestreuten Teilchen geben kinetische Energie an das Nukleon ab. Die gestreuten Teilchen treffen mit sehr hoher kinetischer Energie auf das Nukleon. Die kinetische Energie ist so gewählt, dass die De-Broglie-Wellenlänge viel kleiner ist als die Ausdehnung des Nukleons. Die tiefinelastische Streuung gibt aufgrund der genügend kurzen Wellenlänge der Streuteilchen Aufschluss über die Struktur tief im Nukleon.

Elektron-Proton-Streuung

Durch die Streuung von Elektronen am Proton kann man die dimensionslosen Strukturfunktionen F_1(x,Q^2) und F_2(x,Q^2) bestimmen. Dabei ist Q^2 der übertragene Viererimpuls und die Bjorken-Skalierung. Die Strukturfunktionen sind – von QCD-Korrekturen abgesehen – nicht vom Viererimpuls abhängig. Dies zeigt, dass die Elektronen an punktförmigen Konstituenten des Protons gestreut werden. Diese sind die Valenzquarks (zwei Up-Quarks und ein Down-Quark, aus denen das Proton aufgebaut ist) und die Seequarks (virtuelle Quark-Antiquark-Paare, die im Gluonenfeld zwischen den Quarks auftreten).

Neutrino-Proton-Streuung

Bei Experimenten zur Neutrino-Steuung werden Myon-Neutrinos ( ${\textstyle \nu _{\mu }}$ ) in Myonen bzw. Myon-Antineutrinos ( ${\textstyle {\bar {\nu }}_{\mu }}$ ) in Antimyonen umgewandelt. Da dabei über virtuelle W-Bosonen elektrische Ladung übertragen wird, reagieren die ${\textstyle \nu _{\mu }}$ nur mit negativ geladenen (Anti-)quarks (u, d, …) und die ${\textstyle {\bar {\nu }}_{\mu }}$ nur mit positiv geladenen (Anti-)quarks (u, d, …). Außerdem spielt aufgrund der Paritätsverletzung der schwachen Wechselwirkung die Chiralität eine Rolle, was durch eine zusätzliche Strukturfunktion $F_{3}(x,Q^{2})$ beschrieben wird. Dadurch ermöglicht es die Neutrinostreuung, selektiv den Anteil der Antiquarks und damit der Seequarks zu bestimmen.

Literatur

B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche: Teilchen und Kerne. 4. Auflage. Springer, 1997, ISBN 3-540-61737-X
Jörn Bleck-Neuhaus: Elementare Teilchen. 2. Auflage, Springer Spektrum 2013, ISBN 978-3-642-32578-6.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de