Überblick

Der tiefe Blick ins Proton

Der Beschleuniger HERA hat die Struktur des Protons mit bislang unerreichter Präzision entschlüsselt.

  • Olaf Behnke, Katja Krüger und Sven-Olaf Moch
  • 02 / 2012 Seite: 31

Eine brodelnde Suppe aus Quarks und Gluonen, die mit zunehmender Auflösung immer dichter erscheint – dies ist das Bild des Protons, das wir dem HERA-­Beschleuniger bei DESY in Hamburg verdanken. Diese Hadron-Elektron-Ring-Anlage war ein universelles Testlabor der starken Kraft, das bereits vor über vier Jahren außer Betrieb ging, dessen aufwändige ­Datenauswertung aber bis heute andauert. Die Ergebnisse zur Protonstruktur sind essenziell, um zum Beispiel die Erzeugung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider präzise vorherzusagen.

Heute blicken Elementarteilchenphysiker aus aller Welt mit Spannung auf die Ergebnisse vom Large Hadron Collider (LHC), der Protonen mit den höchsten bisher im Labor erreichten Energien zur Kollision bringt (Abb. 1a), um nach dem Higgs-Boson und „neuer Physik“ zu suchen. Das Verständnis dieser Kollisionen setzt voraus, die innere Struktur des Protons präzise zu kennen. Dazu haben die Experimente am „Supermikroskop“ HERA maßgeblich beigetragen, das von 1992 bis 2007 in Betrieb war. Der 6,3 km lange unterirdische HERA-Ring war der größte jemals in Deutschland betriebene Teilchenbeschleuniger und weltweit bislang der einzige Elektron-Proton-Speicherring. Elektronen oder Positronen mit 27,5 GeV Energie, die zudem longitudinal polarisiert sein konnten, kollidierten dort frontal mit Protonen der Energie 920 GeV, was einer Schwerpunktsenergie von 320 GeV entspricht. Die HERA-Detektoren H1 und ZEUS gehörten zu den aufwändigsten Detektoren in der Zeit vor dem LHC. Insgesamt haben beide Experimente jeweils etwa eine Milliarde hochenergetische Kollisionen aufgezeichnet.1)


Die Elektronen wechselwirken mit dem Proton über die elektromagnetische und die schwache Kraft, die über den Austausch masseloser Photonen bzw. neutraler Z0- und geladener W±-Bosonen vermittelt werden. Da Z- und W-Bosonen etwa die hundertfache Protonmasse besitzen, ist bei kleinen Impulsüber­trägen der Photonenaustausch wesentlich wahrscheinlicher. Daher konzentrieren wir uns zunächst auf den Aspekt des „Lichtmikroskops“: Aus den genauen Werten für Energie und Winkel des gestreuten Elektrons lassen sich dank Energie- und Impulserhaltung der Impulsübertrag Q sowie der Impuls desjenigen Quarks bestimmen, welches das ausgetauschte Photon absorbiert hat. Die Wellenlänge des Photons, also das Auflösungsvermögen des Mikroskops, ist λ = ħc/Q (Abb. 1b,  c). HERA hat erstmals kleinste Wellenlängen bis zu 6 · 10–19 m erreicht, das entspricht zwei Tausendstel des Protonradius. In diesem Sinne trifft also die Bezeichnung „Supermikroskop“ auf HERA zu. ...

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