Schwerpunkt

Die starke Seite des LHC

Der LHC eröffnet gänzlich neue Bereiche höchster räumlicher Auflösung und Energiedichten für die genaue Untersuchung der starken Wechselwirkung.

  • Christoph Blume, Klaus Rabbertz und Stefan Tapprogge
  • 04 / 2012 Seite: 45

In den letzten vier Jahrzehnten haben zahlreiche Experimente Vorhersagen der Quantenchromodynamik (QCD), der Theorie der starken Wechselwirkung, bestätigt. Bereits die ersten Daten des LHC ermöglichen weitere Tests bei bisher unerreichten Impulsüber­trägen und Energien, die die QCD in beeindruckender Weise bestanden hat.

Nach heutiger Kenntnis sind die durch die starke Wechselwirkung in Kernen der Größenordnung 10–14 m gebundenen Protonen und Neutronen (Nukleonen), ebenso wie alle anderen stark wechselwirkenden Teilchen (Hadronen), wiederum zusammengesetzt aus noch kleineren Konstituenten, den auch Partonen genannten Quarks und Gluonen. Die als punktförmig betrachteten Partonen tragen Farbladungen, deren starke Wechselwirkung sich mithilfe der Quantenchromodynamik beschreiben lässt. Besonderheiten der QCD sind das „Confinement“ sowie die „asymptotische Freiheit“ [1]. Ersteres besagt, dass alle Quarks und Gluonen in Hadronen eingesperrt bleiben und nicht als freie Teilchen nachweisbar sind. Ursache dafür ist die Stärke der Wechselwirkung, die zu großen Abständen hin sogar noch anwächst. Im Kontrast dazu beschreibt die asymptotische Freiheit die Beobachtung, dass sich die Partonen innerhalb eines Teilchens als quasifrei ansehen lassen, wenn man die Struktur der Hadronen mit hoher Auflösung untersucht. Je größer der Impulsübertrag in der Reaktion, der sich aus den Transversalimpulsen der erzeugten Teilchen relativ zur Strahlrichtung bestimmen lässt, desto höher ist die erreichte Auflösung und desto tiefer der Einblick in die Struktur des Protons.

Ereignisse mit den höchsten Transversalimpulsen entsprechen einer Auflösung von rund 10–19 m (Abb. 1).
Aufgrund der asymptotischen Freiheit lässt sich die Dynamik der Partonen bei kleinsten Abständen bzw. größten Impulsüberträgen mit dem mächtigen Werkzeug der Störungsrechnung in der starken Kopplungskonstanten αs theoretisch behandeln (perturbative QCD oder pQCD). Damit man auf diese Weise den Wirkungsquerschnitt einer unelastischen Proton-Proton-Streuung berechnen kann, also die auf eine Streureak­tion bezogene Wahrscheinlichkeit für die Wechselwirkung zweier Protonen, ist es allerdings unerlässlich zu wissen, wie die Partonen in den kollidierenden Protonen verteilt sind (Abb. 2). Diese Partondichten lassen sich bisher zwar nicht ab initio berechnen, aber im Experiment bestimmen, z. B. bei HERA mit Hilfe der Elektron-Proton-Streuung [3]. Dank der experimentell gut überprüften Annahme, dass die Partonverteilungen nicht von der speziellen Teilchenreaktion abhängen, erlaubt die QCD dann präzise Vorhersagen für die Wirkungsquerschnitte der Proton-Proton-Streuung (pp) am LHC. ...

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