Gewichtige Einblicke mit schweren Quarks

HERA beleuchtet schwere Quarks und ihre Eigenschaften

Blick in den HERA-Beschleunigertunnel (Foto: DESY/T. Zoufal).

Die HERA-Experimente zeigten, dass das Proton ein sehr dynamisches Gebilde aus Quarks, Antiquarks und Gluonen ist (Grafik: DESY).

Die Forscher der beiden großen Detektoren H1 und ZEUS an DESYs Teilchenbeschleuniger HERA haben ihre Messungen zur Produktion schwerer Quarks in den HERA-Teilchenkollisionen kombiniert. Für die Publikation, die jetzt von „The European Physics Journal“ herausgegeben wurde, analysierte ein Team unter Leitung von DESY-Physikern alle Kollisionen, in denen sogenannte Charm- und Beauty-Quarks erzeugt wurden – die Zusammenfassung von über 20 Jahren Arbeit. Wie die bereits veröffentlichten Physik-Ergebnisse von HERA wird es in Lehrbücher eingehen und bei der Forschung am Large Hadron Collider am CERN, zu der DESY-Gruppen ebenfalls wichtige Beiträge leisten, Anwendung finden.

Von 1992 bis 2007 kollidierten in DESYs einzigartigem 6,3 Kilometer langen Speicherring HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage) Elektronen und Protonen, die bis fast an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden, um die Struktur des Protons zu untersuchen und aufzuklären. Protonen befinden sich im Kern jedes einzelnen Atomkerns im Universum. Ihre Zusammensetzung aus drei Quarks – zwei Up- und einem Down-Quark–, die durch sogenannte Gluonen, Trägerteilchen der starken Kraft, zusammengehalten werden, ist seit Jahrzehnten bekannt. HERA zeigte jedoch, dass der Aufbau des Protons viel komplizierter ist: eine brodelnde Suppe, in der Gluonen neue Gluonen produzieren und sich in Paare von Quarks und Antiquarks – die sogenannten Seequarks – aufteilen können, die alle rasend schnell wieder miteinander interagieren. Für die Untersuchungen wurden Elektronen als Sonden verwendet: Sie drangen tief in das Proton ein wurden über den Austausch der schwachen oder der elektromagnetischen Kraft, zwei der vier Grundkräfte des Universums, von einem der Bestandteile des Protons gestreut. Die aus den Streuprozessen hervorgehenden Teilchen – einige von ihnen sogenannte schwere Quarks, Charm und Beauty genannt – wurden mit den beiden Mehrzweckdetektoren H1 und ZEUS vermessen.

Im Vergleich zu den Up- und Down-Quarks sind Charm- und Beauty-Quarks etwa 1000-mal schwerer. Deshalb wurden sie wesentlich seltener in den HERA-Elektron-Proton-Wechselwirkungen produziert. Um die höchstmögliche Präzision in der Analyse der aufgenommenen Daten zu erreichen, haben die beiden Kollaborationen jetzt all ihre Messungen zur Produktion dieser schweren Quarks zusammengefasst. Die detaillierte Analyse ermöglicht Präzisionstests der Theorie der starken Kraft, der Quantenchromodynamik (QCD) und Angaben zur Struktur der Materie. Die Messungen wurden außerdem verwendet, um die Massen der Charm- und Beauty-Quarks zu bestimmen. DESY-Physiker Oleksandr Zenaiev, der die Analyse leitete, sagt: „Die Massen sind zwei der grundlegenden Parameter des Standardmodells der Teilchenphysik und wurden hier mit hoher Genauigkeit gemessen.“ Die Ergebnisse stimmen gut mit anderen Messungen in verschiedenen Experimenten vergleichen und belegen damit die Universalität der Messungen.

Joachim Mnich, DESYs Direktor für Teilchen- und Astroteilchenphysik, betont: „Die HERA-Experimente haben einen einzigartigen Satz von Lepton-Proton-Kollisionen gesammelt und erzielen damit auch 10 Jahre nach dem Ende der Datennahme noch immer wertvolle Publikationen. Diese Veröffentlichung ist auch ein deutlicher Beleg dafür, dass sich unsere Bemühungen, die HERA-Daten für spätere Analysen zu erhalten, auszahlen.“

Insgesamt können die theoretischen Berechnungen, basierend auf der QCD, die Daten gut beschreiben. „Wir beobachten jedoch gewissen Inkonsistenzen, wenn gleichzeitig versucht wird, diese Messungen der Produktion schwerer Quarks und ähnliche inklusive Messungen zu beschreiben, bei denen keine Vorgaben zur Art des Quarks gemacht werden. Das zeigt, dass HERA-Daten immer noch unsere besten theoretischen Beschreibungen der Grundstruktur der Materie auf eine Belastungsprobe stellen. Die Kollaborationen freuen sich auf weitere theoretische Fortschritte, die von diesen einzigartigen Ergebnissen inspiriert sind“, erklärt Matthew Wing, Sprecher der ZEUS Collaboration.

 

Orginalveröffentlichung:
Combination and QCD analysis of charm and beauty production cross-section measurements in deep inelastic ep scattering at HERA; Abramowicz, H., Abt, I., Adamczyk, L. et al.; „The European Physics Journal“, 2018; DOI: https://link.springer.com/article/10.1140%2Fepjc%2Fs10052-018-5848-3