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ELEMENTARTEILCHENPHYSIK
Pionen und die starke Wechselwirkung
Redaktion / Pressemitteilung der Technischen Universität München
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26. Februar 2015

Das Verständnis der sogenannten starken Wechselwirkung ist für die Modelle über den grundsätzlichen Aufbau der Materie von großer Bedeutung. Eine wichtige Rolle spielen dabei Pionen. Neue Messungen am Genfer CERN zeigten jetzt, dass sich diese Teilchen tatsächlich so verhalten, wie von der Theorie vorausgesagt - im Gegensatz zu früheren experimentellen Ergebnissen.

COMPASS

Das Experiment am CERN: Die Nickelscheibe befindet sich im Zentrum des blauen Stahlzylinders. Vier Detektormodule vermessen mit höchster Präzision die Ablenkung der Pionen.  Foto: TU München  [Gesamtansicht]

Pionen genannte Kernteilchen tragen wesentlich zur sogenannten starken Wechselwirkung bei. Sie ist die Kraft, die Atomkerne zusammenhält und für die Masse der uns umgebenden Materie verantwortlich ist. Erstmals ist es Physikern nun gelungen, die Verformbarkeit von Pionen exakt zu bestimmen. Das Ergebnis stimmt gut mit den theoretischen Vorhersagen überein und revidiert frühere Messungen, deren Ergebnisse nicht mit dem Standardmodell der Physik vereinbar waren.

Die gesamte sichtbare Materie im Universum besteht aus winzigen Elementarteilchen, aus Quarks und Elektronen. Die Bausteine der Atomkerne wiederum, die Protonen und Neutronen, sind aus drei Quarks aufgebaut. Ein Gold-Atomkern etwa besteht aus 79 Protonen und 118 Neutronen. Sie tauschen so genannte Pionen aus, wodurch der Atomkern zusammenhält.

Pionen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark, welche wiederum von der starken Wechselwirkung fest aneinander gebunden werden. Das Ausmaß, in dem diese beiden Bestandteile voneinander entfernt werden können, ist daher ein direktes Maß für die Stärke der Bindungskraft zwischen den Quarks und damit für die starke Wechselwirkung.

Um die Verformbarkeit der geladenen Pionen - Physiker sprechen auch von ihrer Polarisierbarkeit - zu messen, schossen die Wissenschaftler des COMPASS-Experiments am Forschungszentrum CERN in Genf einen Pionen-Strahl auf eine Nickelscheibe. Die Pionen näherten sich den Nickel-Atomkernen dabei auf Distanzen von im Mittel nur zwei Kernradien und erfuhren dabei das sehr starke elektrische Feld des Nickelkerns.

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Dieses elektrische Feld verursacht eine Polarisierung der Pionen und ändert ihre Flugbahn unter Aussendung von Photonen, also Lichtteilchen. Aus der Messung der Photonen und der Ablenkungen der Pionen für eine große Anzahl von 63.000 Pionen konnten die Wissenschaftler die Polarisierbarkeit der Teilchen bestimmen. Das Ergebnis zeigt, dass die Pionen nur zu weit weniger als ein Tausendstel ihres Volumens deformierbar sind.

"Das Experiment ist - trotz der hohen Teilchenenergien am CERN - eine große Herausforderung", unterstreicht Professor Stephan Paul von der Technischen Universität München (TUM), der auch Koordinator des Exzellenzclusters Universe ist. "Der Effekt der Pion-Polarisierbarkeit ist winzig. Dies macht die Stärke der inneren Kräfte besonders deutlich."

Erste in den 1980er Jahren durchgeführte Messungen hatten Ergebnisse geliefert, die im Widerspruch zu den theoretischen Vorhersagen standen und die Physiker vor große Rätsel gestellt. "Die Theorie der starken Wechselwirkung ist einer der Grundpfeiler unseres Verständnisses der Natur auf der Ebene der Elementarteilchen", meint TUM-Wissenschaftler Dr. Jan Friedrich, der auch Mitglied des Exzellenzclusters Universe ist und der die Datenanalyse der COMPASS-Kollaboration leitete. "Daher ist die gute Übereinstimmung dieses Ergebnisses mit der Theorie von großer Bedeutung."

Das COMPASS-Experiment wird seit 2002 am Super Proton Synchrotron (SPS) betrieben, dem zweitgrößten Beschleunigerring am CERN. Zur Kollaboration gehören rund 220 Physiker aus 13 Ländern. In Deutschland sind die Universitäten in Bielefeld, Bochum, Bonn, Erlangen-Nürnberg, Freiburg, Mainz und München beteiligt sowie die Technische Universität München, bei der die Verantwortung für die Datenanalyse lag.

Über ihre Resultate berichteten die Wissenschaftler kürzlich in der Zeitschrift Physical Review Letters.

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siehe auch
Teilchenphysik: Neue Messungen des Higgs-Teilchens - 23. Juni 2014
Supercomputer: Physiker berechnen Nukleonenmasse - 8. Dezember 2008
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Technische Universität München
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