Mitte des letzten Jahrhunderts fanden Physiker heraus, dass Protonen in Resonanz geraten können, ähnlich wie das Läuten einer Glocke. Fortschritte in den letzten drei Jahrzehnten haben zu 3D-Bildern des Protons und bedeutenden Einblicken in seine Struktur im Grundzustand geführt. Über die 3D-Struktur des resonierenden Protons ist jedoch wenig bekannt.
Nun hat ein Experiment zur Erforschung der 3D-Strukturen der Resonanzen von Protonen und Neutronen an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums ein weiteres Puzzleteil zum riesigen Bild des chaotischen, entstehenden Universums hinzugefügt, das kurz nach dem Urknall existierte.
Die Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften und Verhaltensweisen von Nukleonen bietet wichtige Einblicke in die Grundbausteine der Materie. Nukleonen sind die Protonen und Neutronen, aus denen die Atomkerne bestehen. Jedes Nukleon besteht aus drei Quarks, die durch Gluonen durch die starke Wechselwirkung – die stärkste Kraft in der Natur – fest miteinander verbunden sind.
Der stabilste und energieärmste Zustand eines Nukleons wird als Grundzustand bezeichnet. Wenn ein Nukleon jedoch gewaltsam in einen Zustand höherer Energie angeregt wird, rotieren und vibrieren seine Quarks gegeneinander und zeigen eine sogenannte Nukleonenresonanz.
Eine Gruppe von Physikern der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) in Deutschland und der University of Connecticut leiteten die CLAS-Kollaborationsbemühungen zur Durchführung eines Experiments zur Erforschung dieser Nukleonenresonanzen. Das Experiment wurde in der erstklassigen Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) des Jefferson Lab durchgeführt. CEBAF ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, die die Forschung von mehr als 1.800 Kernphysikern weltweit unterstützt. Die Ergebnisse der Forschung wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Analyseleiter Stefan Diehl sagte, die Arbeit des Teams wirft Licht auf die grundlegenden Eigenschaften von Nukleonenresonanzen. Diehl ist Postdoktorand und Projektleiter am 2. Physikalischen Institut der JLU Gießen und Forschungsprofessor an der University of Connecticut. Er sagte, dass die Arbeit auch neue Untersuchungen der 3D-Struktur des resonierenden Protons und des Anregungsprozesses anrege.
„Dies ist das erste Mal, dass wir eine Messung, eine Beobachtung haben, die empfindlich auf die 3D-Eigenschaften eines solch angeregten Zustands reagiert“, sagte Diehl. „Im Prinzip ist das erst der Anfang und diese Messung eröffnet ein neues Forschungsfeld.“
Das Geheimnis, wie Materie entstand
Das Experiment wurde 2018–2019 in der Experimentalhalle B mit dem CLAS12-Detektor von Jefferson Lab durchgeführt. Ein hochenergetischer Elektronenstrahl wurde in eine Kammer mit gekühltem Wasserstoffgas geschickt. Die Elektronen prallen auf die Protonen des Ziels, regen die darin enthaltenen Quarks an und erzeugen eine Nukleonenresonanz in Kombination mit einem Quark-Antiquark-Zustand – einem sogenannten Meson.
Die Anregungen sind flüchtig, aber sie hinterlassen Hinweise auf ihre Existenz in Form neuer Teilchen, die aus der Energie der angeregten Teilchen entstehen, während diese verpufft. Diese neuen Teilchen leben lange genug, damit der Detektor sie auffangen kann, sodass das Team die Resonanz rekonstruieren konnte.
Diehl und andere werden ihre Ergebnisse im Rahmen eines gemeinsamen Workshops zum Thema „Erforschung der Resonanzstruktur mit Übergangs-GPDs“ vom 21. bis 25. August in Trient, Italien, diskutieren. Die Forschung hat bereits zwei Theoriegruppen dazu inspiriert, Artikel zu der Arbeit zu veröffentlichen.
Das Team plant außerdem weitere Experimente im Jefferson Lab mit unterschiedlichen Targets und Polarisationen. Durch die Streuung von Elektronen an polarisierten Protonen können sie auf verschiedene Eigenschaften des Streuprozesses zugreifen. Darüber hinaus kann die Untersuchung ähnlicher Prozesse, etwa der Erzeugung einer Resonanz in Kombination mit einem energiereichen Photon, weitere wichtige Informationen liefern.
Durch solche Experimente, sagte Diehl, könnten Physiker die Eigenschaften des frühen Kosmos nach dem Urknall herausfinden.
„Am Anfang gab es im frühen Kosmos nur etwas Plasma bestehend aus Quarks und Gluonen, die sich alle drehten, weil die Energie so hoch war“, sagte Diehl. „Irgendwann begann sich dann Materie zu bilden, und die ersten Dinge, die sich bildeten, waren die angeregten Nukleonenzustände. Als sich das Universum weiter ausdehnte, kühlte es ab und die Nukleonen im Grundzustand manifestierten sich.“
„Mit diesen Studien können wir etwas über die Eigenschaften dieser Resonanzen lernen. Und das wird uns Aufschluss darüber geben, wie Materie im Universum entstanden ist und warum das Universum in seiner gegenwärtigen Form existiert.“
Mehr Informationen:
S. Diehl et al., Erste Messung harter exklusiver π−Δ++-Elektroproduktionsstrahl-Spin-Asymmetrien am Proton, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021901