Die Geheimnisse des frühen Universums entschlüsseln – Protonenresonanz bietet neue Perspektiven

von Tatsuya Nakamura
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Proton Resonance

Physikalische Forschungen aus der Mitte des 20. Jahrhunderts enthüllten das Phänomen der Protonenresonanz, doch ein umfassendes Verständnis der dreidimensionalen Architektur resonierender Protonen ist noch immer unklar. Neueste im Jefferson Lab durchgeführte Experimente liefern wertvolle Daten über das frühe Universum und Elementarteilchen wie Nukleonen, bestehend aus Quarks und Gluonen.

Neuere Studien beleuchten die dreidimensionalen Konfigurationen von Nukleonenresonanzen.

Mitte des 20. Jahrhunderts ergaben wissenschaftliche Untersuchungen, dass Protonen in Resonanz geraten können, ähnlich wie eine Glocke vibriert. In den folgenden Jahrzehnten führten Fortschritte zu dreidimensionalen Darstellungen von Protonen, was unser Verständnis ihrer Struktur im Grundzustand erheblich erweiterte. Dennoch gibt es immer noch einen Mangel an Informationen über die dreidimensionale Organisation eines resonierenden Protons.

Neue Experimente, die an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums durchgeführt wurden, haben die dreidimensionalen Geometrien von Protonen- und Neutronenresonanzen weiter untersucht. Diese Forschung fügt dem komplexen Verständnis des turbulenten, entstehenden Universums kurz nach dem Urknall ein weiteres Element hinzu.

Die Erforschung der intrinsischen Eigenschaften und Verhaltensweisen von Nukleonen liefert wesentliche Erkenntnisse über die grundlegenden Bestandteile der Materie. Nukleonen sind die Protonen und Neutronen, aus denen die Atomkerne bestehen. Jedes Nukleon besteht aus drei Quarks, die durch Gluonen durch die starke Kraft – die stärkste Wechselwirkung der Natur – fest miteinander verbunden sind.

Die stabilste und energieärmste Konfiguration eines Nukleons wird als Grundzustand bezeichnet. Wenn seine Quarks jedoch gewaltsam in einen Zustand höherer Energie gebracht werden, nehmen sie an Rotations- und Schwingungsbewegungen teil und zeigen ein Phänomen, das als Nukleonenresonanz bezeichnet wird.

Ein Forschungsteam bestehend aus Physikern der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) in Deutschland und der University of Connecticut leitete die Bemühungen der CLAS-Kollaboration, ein Experiment zur Erforschung dieser Nukleonenresonanzen durchzuführen. Das Experiment wurde in der hochmodernen Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) des Jefferson Lab durchgeführt, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, die die Forschungsbemühungen von über 1.800 Kernphysikern weltweit unterstützt. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der hoch angesehenen Fachzeitschrift Physical Review Letters dokumentiert.

Stefan Diehl, der Leiter der Analyse, gab an, dass die Forschung des Teams grundlegende Eigenschaften von Nukleonenresonanzen aufklärt. Diehl, Postdoktorand und Projektleiter am 2. Physikalischen Institut der JLU Gießen und Forschungsprofessor an der University of Connecticut, wies auch darauf hin, dass diese Arbeit neue Untersuchungen zur dreidimensionalen Struktur resonierender Protonen und ihrem Anregungsprozess anregt.

„Dies ist das erste Mal, dass eine Messung oder Beobachtung empfindlich auf die dreidimensionalen Eigenschaften eines solchen angeregten Zustands reagiert“, erklärte Diehl. „Im Grunde ist dies nur die Anfangsphase, und diese Messung eröffnet einen neuen Forschungsbereich.“

Das Rätsel der Materiebildung

Das Experiment fand zwischen 2018 und 2019 in der Experimentalhalle B statt und nutzte den CLAS12-Detektor von Jefferson Lab. Ein Hochgeschwindigkeitselektronenstrahl wurde in eine mit gekühltem Wasserstoffgas gefüllte Kammer gerichtet. Die Elektronen kollidierten mit den Protonen der Kammer, regten dadurch die Quarks an und induzierten eine Nukleonenresonanz in Verbindung mit einem Quark-Antiquark-Zustand, einem sogenannten Meson.

Obwohl diese Anregungen vorübergehender Natur sind, hinterlassen sie Spuren in Form neuartiger Teilchen, die aus der Verlustenergie der angeregten Teilchen entstehen. Diese neuen Teilchen haben eine ausreichend lange Lebensdauer, um nachgewiesen zu werden, sodass das Team die Resonanz rekonstruieren konnte.

Diehl und seine Kollegen präsentierten ihre Ergebnisse kürzlich auf einem gemeinsamen Workshop mit dem Titel „Erforschung der Resonanzstruktur mit Übergangs-GPDs“ in Trient, Italien. Die Studie hat bereits zwei theoretische Gruppen dazu veranlasst, Artikel zu veröffentlichen, in denen die Forschung diskutiert wird.

Zukünftige Experimente sind im Jefferson Lab geplant, bei denen verschiedene Ziele und Polarisationen zum Einsatz kommen. Durch die Streuung von Elektronen aus polarisierten Protonen möchte das Team verschiedene Aspekte des Streumechanismus untersuchen. Darüber hinaus kann die Untersuchung ähnlicher Prozesse wie der Resonanzerzeugung zusammen mit einem energiereichen Photon zusätzliche wichtige Daten liefern.

Diehl wies darauf hin, dass solche Studien Wissenschaftlern helfen könnten, die Eigenschaften des Kosmos kurz nach dem Urknall abzuleiten. „Anfangs gab es im frühen Universum nur ein hochenergetisches Plasma aus Quarks und Gluonen, die sich aufgrund der immensen Energie alle in einem Rotationszustand befanden“, erklärte Diehl. „Schließlich begann die Materie zu verschmelzen und die ersten Einheiten, die sich bildeten, waren die angeregten Nukleonenzustände. Während sich das Universum weiter ausdehnte und abkühlte, wurden die Nukleonen im Grundzustand stabil.“

„Durch diese Forschungsbemühungen können wir Einblicke in die Eigenschaften dieser Resonanzen gewinnen, die wiederum Aufschluss darüber geben könnten, wie Materie im Universum entstand und warum das Universum in seinem aktuellen Zustand verbleibt.“

Referenz: „Erste Messung harter exklusiver π−Δ++Elektroproduktions-Beam-Spin-Asymmetrien am Proton“ von S. Diehl et al. (CLAS Collaboration), veröffentlicht am 11. Juli 2023 in Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021901

Stefan Diehl, gebürtig aus Lich, Deutschland, beschäftigte sich mit Physikstudien, um Naturphänomene und das Wesen der Welt zu verstehen. Er hat Bachelor-, Master- und Doktorgrade an der JLU Gießen erworben, ist an mehreren Kooperationen wie CLAS, PANDA, ePIC und COMPASS beteiligt und hat über 70 peer-reviewte Arbeiten mitverfasst.

Das Forschungsprojekt wurde vom US-Energieministerium gefördert.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zur Protonenresonanz

Was ist der Schwerpunkt der jüngsten Experimente im Jefferson Lab?

Das Hauptziel der jüngsten Experimente im Jefferson Lab ist die Untersuchung der dreidimensionalen Strukturen resonierender Protonen und Neutronenresonanzen. Diese Forschung trägt zum umfassenderen Verständnis des frühen Universums und der fundamentalen Teilchen wie Nukleonen bei, die aus Quarks und Gluonen bestehen.

Wer hat die Forschung durchgeführt und wo wurde sie veröffentlicht?

Die Forschung wurde von einer Gruppe von Physikern der Justus-Liebig-Universität (JLU) Gießen in Deutschland und der University of Connecticut geleitet. Sie leiteten die Bemühungen der CLAS-Kollaboration für dieses Experiment. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Was sind Nukleonenresonanzen?

Nukleonenresonanzen sind die Zustände höherer Energie von Nukleonen (Protonen und Neutronen), bei denen die Quarks im Inneren der Nukleonen schwingen und gegeneinander rotieren. Dieses Phänomen ist wichtig für das Verständnis der Grundbausteine der Materie.

Welche Bedeutung hat es, die 3D-Struktur eines resonierenden Protons zu verstehen?

Ein umfassendes Verständnis der 3D-Struktur eines resonierenden Protons könnte wertvolle Einblicke in das frühe Universum und die fundamentalen Teilchen liefern, aus denen die Materie besteht. Es ist von entscheidender Bedeutung für den Fortschritt auf dem Gebiet der Teilchenphysik und für ein tieferes Verständnis der kosmischen Ursprünge.

Welche zukünftigen Forschungsarbeiten sind in diesem Bereich geplant?

Das Team plant weitere Experimente im Jefferson Lab mit unterschiedlichen Targets und Polarisationen, um verschiedene Aspekte des Streuprozesses zu untersuchen. Sie wollen auch ähnliche Prozesse untersuchen, etwa die Erzeugung einer Resonanz in Kombination mit einem energiereichen Photon, um weitere entscheidende Informationen zu gewinnen.

Welche weiteren Auswirkungen hat diese Forschung auf unser Verständnis des Universums?

Die Forschung hilft dabei, die Eigenschaften des frühen Kosmos kurz nach dem Urknall zu entschlüsseln. Durch das Verständnis der Eigenschaften dieser Resonanzen können Wissenschaftler Erkenntnisse darüber gewinnen, wie Materie im Universum entstanden ist und warum das Universum in seinem gegenwärtigen Zustand existiert.

Wer hat die Forschungsstudie finanziert?

Das Forschungsprojekt wurde vom US-Energieministerium gefördert.

Welche neuartigen Beiträge hat diese Forschung geleistet?

Diese Studie stellt das erste Mal dar, dass eine Messung oder Beobachtung empfindlich auf die dreidimensionalen Eigenschaften von Nukleonenresonanzen in einem angeregten Zustand reagiert und damit einen neuen Forschungsbereich in der Teilchenphysik eröffnet.

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