Mitte des 20. Jahrhunderts entdeckten Wissenschaftler, dass Protonen die Fähigkeit besitzen, wie die Schwingungen einer Uhr in Resonanz zu treten. In den nächsten drei Jahrzehnten wurden die dreidimensionalen Bilder des Protons weiter weiterentwickelt und ein tieferes Verständnis der Struktur des Protons in seinem Grundzustand erlangt. Das Verständnis der dreidimensionalen Struktur resonanter Protonen ist jedoch noch begrenzt.
Ein kürzlich an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums durchgeführtes Experiment befasst sich mit der dreidimensionalen Struktur von Protonen- und Neutronenresonanzen. Diese Forschung liefert ein weiteres Puzzleteil für das Bild des Universums, in dem nach dem Urknall erstmals Chaos entstand.
Die Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften und des Verhaltens von Nukleonen liefert wichtige Hinweise für unser Verständnis der Grundbausteine der Materie. Nukleonen sind die Protonen und Neutronen, aus denen der Atomkern besteht. Jedes Nukleon besteht aus drei Quarks, die durch Gluonen durch starke Wechselwirkung zusammengehalten werden – die stärkste Kraft in der Natur.
Der stabilste und energieärmste Zustand eines Kerns wird Grundzustand genannt. Wenn jedoch ein Nukleon gewaltsam in einen hochenergetischen Zustand angeregt wird, rotieren und vibrieren seine Quarks miteinander und zeigen eine sogenannte Nukleonenresonanz.
Ein Team von Physikern der Justus-Liebig-Universität (JLU) in Gießen und der University of Connecticut unter der Leitung der CLAS-Kollaboration führte ein Experiment durch, um diese Nukleonenresonanzen zu untersuchen. Die Experimente wurden in der erstklassigen Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) des Jefferson Laboratory durchgeführt. CEBAF ist eine Benutzereinrichtung des Office of Science des Energieministeriums, die die Forschung von mehr als 1.800 Kernphysikern auf der ganzen Welt unterstützt. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Stefan Diehl, Leiter des Analyseteams, sagte, die Arbeit des Teams habe die grundlegenden Eigenschaften der Kernresonanz enthüllt. Diehl ist Postdoktorand und Projektleiter am Institut für Physik II der Unionsuniversität Gießen und Forschungsprofessor an der University of Connecticut. Diese Arbeit regt auch neue Forschungen zur dreidimensionalen Struktur und den Anregungsprozessen resonanter Protonen an.
„Dies ist das erste Mal, dass wir Messungen und Beobachtungen machen, die empfindlich auf die dreidimensionalen Eigenschaften dieses angeregten Zustands reagieren“, sagt Diehl. „Im Prinzip ist das erst der Anfang und diese Art der Messung eröffnet ein neues Forschungsfeld.“
Das Experiment wurde 2018–2019 in der Experimentalhalle B mit dem CLAS12-Detektor im Jefferson Laboratory durchgeführt. Ein Strahl hochenergetischer Elektronen wird in eine Kammer mit gekühltem Wasserstoffgas geleitet. Das Elektron trifft auf das Proton des Ziels, regt die darin enthaltenen Quarks an und verbindet sich mit Quark-Antiquark-Zuständen (sogenannten Mesonen), um eine Nukleonenresonanz zu erzeugen.
Solche Anregungen sind flüchtig, aber sie hinterlassen Hinweise auf ihre Existenz in Form neuer Teilchen, die durch die Energiespaltung der angeregten Teilchen entstehen. Diese neuen Teilchen sind lang genug, dass Detektoren sie einfangen können, sodass das Team die Resonanzen rekonstruieren kann.
Diehl et al. diskutierten ihre Ergebnisse kürzlich auf dem gemeinsamen Workshop „Exploring Resonant Structures with Transitional GPDs“ in Trient, Italien. Diese Forschung hat zwei theoretische Gruppen dazu inspiriert, entsprechende Arbeiten zu veröffentlichen.
Das Team plant außerdem, weitere Experimente im Jefferson Lab mit unterschiedlichen Targets und Polarisationen durchzuführen. Durch Elektronenstreuung an polarisierten Protonen können sie unterschiedliche Charakteristika des Streuprozesses erhalten. Darüber hinaus kann die Untersuchung ähnlicher Prozesse, beispielsweise der Kombination hochenergetischer Photonen zur Erzeugung von Resonanzen, weitere wichtige Informationen liefern.
Diehl sagte, dass Physiker durch diese Experimente die Eigenschaften des frühen Universums nach dem Urknall herausfinden können: „Am Anfang gab es im frühen Universum nur etwas Plasma aus Quarks und Gluonen, und diese Plasmen drehten sich, weil die Energie zu hoch war. Dann, an einem bestimmten Punkt, begann sich Materie zu bilden, und die ersten, die sich bildeten, waren angeregte Nukleonenzustände. Als sich das Universum weiter ausdehnte, kühlte es ab und die Nukleonen im Grundzustand entstanden.“
„Durch diese Studien können wir die Eigenschaften dieser Resonanzen verstehen. Dies wird uns sagen, wie sich Materie im Universum gebildet hat und warum das Universum in dieser Form existiert.“