Experiment A4 - Forschungs-Highlights

1. Beitrag der Strangequarks zu den Formfaktoren des Protons

Beitrag der Strangequarks zu den Formfaktoren des Protons

Abb. 1: Strangeness-Formfaktoren bei 0.1 GeV² (aus [1]).

Die Quantenchromodynamik (QCD) beschreibt die Bausteine der Atomkerne, Proton und Neutron, als dynamische Systeme aus Valenz- und Seequarks sowie Gluonen. Die Ladungsverteilung in den Nukleonen wird durch sogenannte Formfaktoren beschrieben. Obwohl das Proton keine Netto-Strangeness trägt (S=0), können Strange-Quark-Antiquark-Paare sehr wohl zu den Formfaktoren beitragen. Die Situation ist ähnlich zum elektrischen Formfaktor des Neutrons, der für Impulsüberträge Q²>0 von Null verschieden ist, obgleich das Neutron nach außen hin keine elektrische Ladung besitzt.

Eine Trennung der Strangequark-Beiträge von denen der Up- und Downquarks ermöglicht die schwache Wechselwirkung. Die Messung der paritätsverletzenden Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt der elastischen Streuung polarisierter Elektronen an unpolarisierten Protonen oder Deuteronen ermöglicht den Zugriff auf die sogenannten Strange-Formfaktoren G_E^s und G_M^s, welche den Beitrag der Strangequarks zur elektrischen und magnetischen Verteilung im Proton parametrisieren. Ein Nachweis von Strangequark-Beiträgen ist deshalb von besonderem Interesse, weil hiermit ein direkter Seequarkbeitrag nachgewiesen ist. Dies erlaubt die Anpassung theoretischer Modelle, da wegen der Größe der Kopplungskonstante der starken Wechselwirkung eine direkte störungstheoretische Berechnung nicht möglich ist.

F. E. Maas et al., Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 022002
F. E. Maas et al., Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 152001
S. Baunack et al., Eur. Phys. J. A 32 (2007) 457-461

2. Zwei-Photon-Austausch

Zwei-Photon-Austausch

Abb. 2: Gemessene Asymmetrien im Wirkungsquerschnitt der elastischen Streuung transversal polarisierter Elektronen an unpolarisiertem Wasserstoff bei einer Strahlenergie von E=570 MeV (oben) btw. 855 MeV (unten) . Gezeigt ist die Abhängigkeit vom Azimutstreuwinkel Φ. Man erkennt deutlich den cosinusförmigen Verlauf (aus [1]).

Im Standardmodell der Teilchenphysik werden die fundamentalen Wechselwirkungen - die elektromagnetische, die schwache und die starke Kraft - durch den Austausch von virtuellen Bosonen beschrieben. Diese heißen Photonen im Falle der elektromagnetischen Wechselwirkung, Z- und W-Bosonen im Falle der schwachen Wechselwirkung und Gluonen im Falle der starken Wechelwirkung.

Die zugrundeliegenden Quantenfeldtheorien erlauben es nun auch, daß nicht nur ein, sondern auch zwei oder mehrere Bosonen ausgetauscht werden. Die Prozesse höherer Ordnung tragen zum Wirkungsquerschnitt bei und können prinzipiell im Rahmen der Störungstheorie berechnet werden. In der Quantenelektrodynamik (QCD) können solche höhere Ordnungen für die Wechselwirkung von Elementarteilchen mit hoher Präzision berechnet werden. Das Proton hingegen ist kein Elementarteilchen, sondern ein Konglomerat aus Valenz- und Seequarks und Gluonen. Bei größeren Impulsüberträgen können beim Austausch mehrerer virtueller Photonen angeregte hadronische Zwischenzustände entstehen, für deren Berechnung Modellannahmen notwendig sind.

In der elastischen Elektron-Proton-Streuung wurde der Zweiphoton-Beitrag möglicherweise lange Zeit unterschätzt. Unterschiedliche Methoden bei der Messung der elektromagnetischen Formfaktoren des Protons (Rosenbluthseparation bzw. Polarisationstransfer) ergaben systematische Diskrepanzen, welche durch Zwei-Photon-Beiträge erklärt werden können. Ein Zugang zu den Zweiphoton-Austauschamplituden ist möglich, indem man eine Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt transversal polarisierter Elektronen an unpolarisiertem Wasserstoff mißt. Solche Messungen sind dem A4-Bleifluoridkalorimeter möglich und für erste Kinematiken durchgeführt worden. Der Interefenzterm zwischen Ein- und Zweiphoton-Austausch führt zu einer Asymmetrie, welche vom Winkel Φ zwischen Spinrichtung des Elektrons und dem Normalenvektor der Streuebene abhängt. Die ersten Messungen zeigen deutlich, daß die angeregten hadronischen Zwischenzustände bereits bei Impulsüberträgen von 0.1 GeV² bzw. 0.23 GeV² eine wichtige Rolle spielen. Weitere Messungen bei anderen Impulsüberträgen und mit Wasserstoff- oder Deuteriumtarget sind in Vorbereitung oder wurden bereits durchgeführt und befinden sich in der Analyse.

F. E. Maas et al., Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 082001
B. Pasquini and M. Vanderhaeghen, Phys.Rev.C 70 (2004) 045206
L. Capozza Eur. Phys. J. A 32 (2007) 497-499

3. Laser-Compton-Polarimetrie

Laser-Compton-Polarimetrie

Abb. 3: Energiespektrum der rückgestreuten Photonen, einmal mit Laser an und einmal mit Laser aus. Die Differenz der beiden Spektren bilden die an den Strahlelektronen Compton-rückgestreuten Photonen des Laserstrahls

Die Experimente der Teilchen- und Hochenergiephysik haben inzwischen ein Niveau erreicht, bei dem "einfache" Elektronenstrahlen nicht mehr ausreichen. Stattdessen werden für die meisten neuen Experimente, darunter das A4-Experiment, "spinpolarisierte" Elektronenstrahlen verwendet, d.h. Strahlen, bei denen der Spin (fast) aller Elektronen gleich ausgerichtet ist. Dies ermöglicht ein tiefergehendes Verständnis der bei den Experimenten auftretenden Wechselwirkungsmechanismen, hat aber auch den Effekt, daß alle gemessenen Größen zusätzlich noch vom Polarisationsgrad des Strahls abhängen. Um diesen zu bestimmen, hat die A4-Kollaboration zwei Polarimeter entwickelt: das Compton-Rückstreu-Polarimeter und das Transmissions-Compton-Polarimeter.

Die Compton-Streuung ist die Streuung von Photonen an freien Elektronen. In der Compton-Polarimetrie macht man sich dem Umstand zunutze, daß die Wahrscheinlichkeit für eine solche Streuung je nach Polarisationsgrad der Photonen und Elektronen verschieden ist. Um diesen Effekt auszunutzen, wird im Compton-Rückstreu-Polarimeter der Elektronenstrahl von MAMI mit einem Laserstrahl überlagert, indem der Elektronenstrahl durch Magnete seitlich versetzt und durch den Resonator eines Ar-Ionen-Lasers geleitet wird. Diese neuartige Konzept ist ein Ansatz, um das Problem geringer Luminosität in single-pass-Beschleunigern zu umgehen, da hierbei die höhere resonatorinterne Laserleistung verwendet wird. Die Photonen gewinnen in der Compton-Streuung Energie und werden als Gamma-Strahlung nachgewiesen. Aus dem Unterschied der rückgestreuten Photonenanzahl bei unterschiedlichen Spinrichtungen von Elektronen- oder Laserstrahl kann dann der Polarisationsgrad ermittelt werden. Zur Verbesserung des Signal-Untergrund-Verhältnisses werden zusätzlich die an der Streuung beteiligten Elektronen nachgewiesen, die aufgrund des Energieverlustes einer etwas anderen Flugbahn in der Strahlführung folgen. Hierzu wurde ein ortsauflösender Detektor aus szintillierenden Fasern entwickelt.

Y. Imai Prog. Part. Nucl. Phys. 55 (2005) 332-335
J. Diefenbach et al., Eur. Phys. J. A 32 (2007) 555-559