Gestauchte Pionen

  • 12. February 2015

Messungen zur Polarisierbarkeit von Pionen korrigieren frühere Daten und bestätigen Standardmodell.

Pionen tragen wesentlich zur starken Wechselwirkung bei. Erstmals ist es nun gelungen, die Polarisierbarkeit von Pionen exakt zu bestimmen. Das Ergebnis, zu dem Physiker der TU München maßgeblich beigetragen haben, stimmt gut mit den theoretischen Vorhersagen überein und revidiert frühere Messungen, deren Ergebnisse nicht mit dem Standardmodell der Physik vereinbar waren.

Abb.: Das Experiment am CERN: Die Nickelscheibe befindet sich im Zentrum des blauen Stahlzylinders. Vier Detektormodule vermessen mit höchster Präzision die Ablenkung der Pionen. (Bild: TUM)

Abb.: Das Experiment am CERN: Die Nickelscheibe befindet sich im Zentrum des blauen Stahlzylinders. Vier Detektormodule vermessen mit höchster Präzision die Ablenkung der Pionen. (Bild: TUM)

Pionen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark, welche wiederum von der starken Wechselwirkung fest aneinander gebunden werden. Das Ausmaß, in dem diese beiden Bestandteile voneinander entfernt werden können, ist daher ein direktes Maß für die Stärke der Bindungskraft zwischen den Quarks und damit für die starke Wechselwirkung.

Um die Polarisierbarkeit der geladenen Pionen zu messen, schossen die Wissenschaftler des COMPASS-Experiments am CERN einen Pionen-Strahl auf eine Nickelscheibe. Die Pionen näherten sich den Nickel-Atomkernen dabei auf Distanzen von im Mittel nur zwei Kernradien und erfuhren dabei das sehr starke elektrische Feld des Nickelkerns. Dieses elektrische Feld verursacht eine Polarisierung der Pionen und ändert ihre Flugbahn unter Aussendung von Photonen. Aus der Messung der Photonen und der Ablenkungen der Pionen für eine große Anzahl von 63.000 Pionen konnten die Wissenschaftler die Polarisierbarkeit der Teilchen bestimmen.

Abb.: Eines der vier Detektor-Module des Experiments. Das an der TUM entwickelte Silizium-Modul kann rund 10.000 Teilchen pro Sekunde detektieren. (Bild: TUM)

Abb.: Eines der vier Detektor-Module des Experiments. Das an der TUM entwickelte Silizium-Modul kann rund 10.000 Teilchen pro Sekunde detektieren. (Bild: TUM)

Das Ergebnis zeigt, dass die Pionen nur zu weit weniger als ein Tausendstel ihres Volumens deformierbar sind. „Das Experiment ist – trotz der hohen Teilchenenergien am CERN – eine große Herausforderung", sagt Stephan Paul vom Physik-Lehrstuhl E18 an der TU München und Koordinator der Exzellenzclusters Universe. „Der Effekt der Pion-Polarisierbarkeit ist winzig. Dies macht die Stärke der inneren Kräfte besonders deutlich."

Erste in den 1980er Jahren durchgeführte Messungen hatten Ergebnisse geliefert, die im Widerspruch zu den theoretischen Vorhersagen standen und die Physiker vor große Rätsel stellten. „Die Theorie der starken Wechselwirkung ist einer der Grundpfeiler unseres Verständnisses der Natur auf der Ebene der Elementarteilchen”, sagt Jan Friedrich, Wissenschaftler am Physik-Lehrstuhl E18 der TUM und Mitglied des Exzellenzclusters Universe, der die Datenanalyse der COMPASS-Kollaboration leitete. „Daher ist die gute Übereinstimmung dieses Ergebnisses mit der Theorie von großer Bedeutung.”

Das COMPASS-Experiment wird seit 2002 am Super Proton Synchrotron (SPS) betrieben, dem zweitgrößten Beschleunigerring am CERN. Zur Kollaboration gehören rund 220 Physiker aus 13 Ländern. In Deutschland sind die Universitäten in Bielefeld, Bochum, Bonn, Erlangen-Nürnberg, Freiburg, Mainz und München beteiligt sowie die Technische Universität München, bei der die Verantwortung für die Datenanalyse lag.

TU München / DE

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