Experimentelle Hadronenphysik
Unser Hauptforschungsfeld ist die experimentelle Hadronenphysik. Hier erforschen wir die starke Kernkraft und wie sich diese auf Quarks und Gluonen, den Bausteinen aller uns bekannter Materie, auswirkt.
Protonen und Neutronen
Alle uns bekannten Materie besteht aus Atomen. Atome sind allerdings keine fundamentale Bausteine, sondern bestehen aus einem Atomkern, der von einer Hülle aus Elektronen umgeben ist. Der Atomkern wiederrum ist aus elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen aufgebaut. Die genaue Zusammensetzung dieses Atomkerns bestimmt maßgeblich welche Eigenschaften das Atom hat. Sie legt fest um welches Element es sich handelt. Ein Proton alleine bildet den Kern des Wasserstoff-Atoms. Zwei Protonen und zwei Neutronen bilden den Kern eines Helium-Atoms.
Quarks und Gluonen
Sind Protonen und Neutronen fundamentale Teilchen? Nein, das sind sie nicht. Beide sind aus noch kleineren Bausteinen, den Quarks, aufgebaut. Wir wissen heute, dass es sechs verschiedene Quarks gibt: up, down, strange, charm, bottom, top. Ein Proton ist aus zwei up und einem down Quark aufgebaut. Ein Neutron besteht aus zwei down und einem up Quark. Zusammengehalten werden sie durch die starke Wechselwirkung. Analog zur elektrischen Ladung des Elektromagnetismus haben Quarks eine Farbladung (color charge), oft als red, green und blue bezeichnet. Die Kraft die zwischen den Quarks wirkt wird durch Gluonen übertragen. Auch diese haben eine Farbladung, was zu interessanten Phänomenen führt, aber auch dafür sorgt, dass die Quantenchromodynamik, die Theorie die die starke Wechselwirkung beschreibt, bei niedrigen Energien nur sehr kompliziert zu berechnen ist. Es sind genau diese niedrigen Energien, in denen sich unsere Realität abspielt. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung mit experimentellen Messungen unser Verständnis von der starken Wechselwirkung bei niedrigen Energien vorranzutreiben.
Hadronenspektroskopie
Ein Ansatz die starke Wechselwirkung zu untersuchen ist die Hadronenspektroskopie. Ähnlich zur atomaren Spektroskopie sollen hier angeregte Zustände von verschiedenen Hadronen, das sind Teilchen die die starke Kraft spüren, untersucht werden. Ein möglicher Weg hierbei ist die Anregung mittels hochenergetischer Photonen. So können das Proton oder Neutron mittels Photon in eine Delta- oder N*-Resonanz angeregt werden. Diese Zerfallen nach extrem kurzer Zeit in den Ausgangszustand und geben dabei leichte Hadronen, wie das Pion, ab. Je mehr wir über die angeregten Zustände lernen können, desto mehr Rückschlüsse erlaubt dies auf die innere Dynamik im Proton oder Neutron und damit auf die starke Wechselwirkung.
Experimente
INSIGHT@ELSA
Das neu geplante INSIGHT Experiment am Bonner Teilchenbeschleuniger ELSA wird sich der Untersuchung von Baryonen mit Strange-Quarks widmen. Dazu werden Experimente mit polarisierten Photonenstrahlen an polarisierten Targets durchgeführt.
GlueX@JLab
Das GlueX Experiment am Jefferson Lab in Virginia, USA, ist spezialisiert auf die Suche nach exotischen Mesonen. Dazu werden Photoproduktionsreaktionen eines 9GeV Photonstrahls am Wasserstoff-Target untersucht.
AMBER@CERN
AMBER am CERN ist ein breit aufgestelltes Experiment an der SPS M1 beam line. Der aktuelle Schwerpunkt liegt auf der Messung des Protonradius und der vorbereitung von Phase-II, die sich der Kaonenspektroskopie widmen wird.