Von Quarks zu Hadronen: Tiefunelastische Streuung und Partonmodell
From Quarks to Hadrons: Deep-Inelastic Scattering and Parton Model

Eine Vielzahl von Phänomenen stark wechselwirkender Teilchen fand durch die 1964 aufgestellte Quarkhypothese eine schlüssige Erklärung, die durch Elektronenstreuung an den Quarks als Konstituenten der Kernbausteine Anfang der 1970er Jahre experimentell bestätigt wurde. In dem Modul werden, ausgehend von den Eigenschaften der Quarks als Diracteilchen, die beobachtbaren Wirkungsquerschnitte verbunden mit den Quark-Verteilungsfunktionen, und deren Bestimmung aus dem Experiment erklärt. Besonderer Fokus liegt auf den neueren Experimenten, wie sie am DESY mit Elektronen und am CERN mit Myonen  durchgeführt werden, um die Spinstruktur und Korrelationen zwischen kinematischen Parametern der Quarks zu studieren. Ziel des Moduls ist, einen  Einblick in den Stand unseres Verständnisses des Quark-Gluon-Aufbaus der Kernbausteine zu vermitteln.

 Nach erfolgreicher Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

• einen Überblick über die Quark-Verteilungsfunktionen aufzubauen
• die formulierten und experimentell überprüften Summenregeln, verstehen
• komliziertere Korrelationsfunktionen, z.B. für tranversalen Freiheitsgrade, verstehen

Entsprechend wird eine Grundlage für ein produktives und kompetentes Mitwirken an solchen hochkomplizierten Experimenten geschaffen.

Die vorausgegange erfolgreiche Teilnahme an einem Modul zur Teilchenphysik bzw. Quantenmechanik (z.B. PH0016) ist sinnvoll, aber nicht verpflichtend.

Das Modul besteht aus einer Vorlesung. Diese ist thematisch strukturiert, und führt von allgemeinen Eigenschaften eines Systems gebundener Teilchen zunächst zu einfachen effektiven charakterisieren Größen, mit Querverweisen zur Atomphysik. Durch Rückfragen werden die Studierenden zum Mitdenken motiviert, und wissenschaftliches Denken eingeübt. Durch Beispielrechnunger wird auf exemplarisches computergestütztes Rechnen mit dem Programmpaket "root" zurückgegriffen, das je nach Interesse vorgeführt wird oder auf eigenen Labtops der Studierenden mit erlernt werden kann. Wichtige Erkenntnisse werden anhand der detaillierten Besprechung von Originalliteratur nachvollzogen.

Folien, Smartboard-Tafelanschrieb, moodle

• A.W. Thomas & W. Weise: The Structure of the Nucleon, esp. chapter 4, Wiley-VCH, (2001)
• B. Povh, K. Rith, C. Scholz & F. Zetsche: Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts, Springer, (2006)
• F. Halzen, A.D. Martin: Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics, Wiley, (1984)

Es findet eine mündliche Prüfung von 30 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Wodurch wurde experimentell die Streuung an Quarks erkannt, was sind hierbei die relevanten kinematischen Größen?
• Welche Summenregel gibt durch ihre Verletzung Hinweise auf ein komplexeres Zusammenspiel der Quarks, als dies die üblichen Verteilungsfunktionen voraussetzen?
• Durch welche Art von Messung kann man einen Zusammenhang zwischen den elastischen Formfaktoren und den tiefunelastischen Strukturfunktionen herstellen?