Proton Spin Puzzle - noch komplizierter

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P_E_T_E_R

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Das Proton Spin Puzzle bzw. die damit verbundene Krise im theoretischen Verständnis vom Proton gehört seit nunmehr mehr als dreißig Jahren zu den Ungelösten Problemen der Physik

Als elementarer Baustein der Materie bildet das Proton, zusammen mit seinem ungeladenen Verwandten, dem Neutron, den Baustoff von Atomkernen und damit auch die dominierende Masse von gewöhnlicher baryonischer Materie im Universum. Das Proton ist aber ähnlich wie das Atom nicht der kleinste unteilbare Bestandteil, sondern es besteht seinerseits aus noch fundamentaleren Teilen, nämlich Quarks und Gluonen. Zusätzlich zu den sog. Valenzquarks, welche die Gesamtladung, Masse und die magnetischen Eigenschaften vom Proton und vom Neutron bestimmen, gibt es noch einen virtuellen See von Quark/Anti-Quark Paaren, welche wie Geisterteilchen für sehr kurze Zeit aus dem Nichts entstehen und wieder vergehen. Das weiß man aus der Analyse von unzähligen Streuexperimenten, ähnlich wie die Experimente von Rutherford den Aufbau der Atome entschlüsselten.

Nun hat das Proton auch einen Eigendrehimpuls oder Spin, welchen man im Quark-Modell als Summe der Spinbeiträge der drei Valenzquarks (uud) interpretierte. Erste Streuexperimente mit polarisierten Elektronen am Stanford Linear Accelerator in Kalifornien in den Siebziger Jahren waren mit dieser Vorstellung auch zunächst konform. Als man dann am CERN solche Experimente mit polarisierten Myonen fortsetzte und bei höheren Strahlenergien einen kinematischen Bereich untersuchen konnte, in dem der See aus Quark/Anti-Quarks prominent wird, da stellte sich zur allseitige Überraschung und Verwunderung heraus, dass die Quarks insgesamt bestenfalls ein Viertel zum gesamten Spin vom Proton beitragen.

Damit war die eingangs erwähnte Spinkrise entstanden, an deren Lösung man an mehreren Labors nun schon seit mehr als dreißig Jahren arbeitet. Anscheinend war die Vorstellung, dass die drei prominenten Valenzquarks alleine den Gesamtspin des Protons ausmachen, zu naiv. Neben den virtuellen Quarks und Anti-Quarks des Quarksees gibt es noch ebenfalls virtuelle Gluonen, welche erforderlich sind, um den Haufen von Quarks überhaupt zusammenzuhalten, und alle diese Teilchen können zusätzlich zu ihrem Eigendrehimpuls auch noch Bahndrehimpulse haben, ähnlich wie umlaufende Planeten im Sonnensystem.

Bislang hat man nur ein partielles Verständnis. Ein jetzt publiziertes Messergebnis vom STAR detector mit polarisierten Protonen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) macht die Angelegenheit sogar noch komplizierter. Anscheinend sind die Spinbeiträge von Anti-Up und Anti-Down Quarks sogar verschieden:

Measurement of the longitudinal spin asymmetries for weak boson production in proton-proton collisions at sqrt (s) = 510 GeV

We report new STAR measurements of the single-spin asymmetries A_L for W+ and W− bosons produced in polarized proton-proton collisions at sqrt (s) = 510 GeV as a function of the decay-positron and decay-electron pseudorapidity. A comparison with theoretical expectations based on polarized lepton-nucleon deep-inelastic scattering and prior polarized proton-proton data suggests a difference between the anti-u and anti-d quark helicity distributions.
 
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Ich mag es immer, wenn Dinge im Dunklen sind. Ein wenig Geheimnisvolles darf schon sein. :cool:
Im Match "Weltall gegen Erkenntnis" gewann bislang immer das Weltall. Außerdem sagt mir mein Bauch, unser Modell fußt noch nicht auf der Wahrheit. Zumindest wünscht er sich das, irgendwie haben wir da etwas noch nicht gefunden, auf dem alles fußt. Mein Hirn setzt schon früher aus. Es verlangt nach einem Bier oder Tee, wenn jemand von Spin-Up redet.

Aber spannend. :p

lg
Niki
 
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