Quark Spin und dynamischer Symmetriebrechung

Ziel dieses Projekts ist das Verständnis der internen Quarkstruktur der Materie und fundementalen Eigenschaften in Zusammenhang mit Spin und dynamischer Symmetriebrechung. Die Interpretation von Daten aus neuen und laufenden Experimenten an Teilchenbeschleunigern in Europa, Japan und den Vereinigten Staaten von Amerika und die Konzeption von neuen Speicherringen für polarisierte Teilchen sollte zu neuen und aufregenden Erkenntnissen zur fundamentalen Struktur der Materie und zur Physik des frühen Universums führen. Das Verständnis des Protonenspins ist eine der herausfordernsten offenen Fragen in der Quantenchromodynamik (QCD, die Theorie der Quarks und Gluonen). Schlüsselexperimente der Teilchenphysik am CERN (Genf), DESY (Hamburg) und SLAC (Stanford) haben offenbart, dass nur etwa 30% des Protonenspins durch die Spins seiner Quarkbestandteile versursacht werden. Dies ist ungefähr die Hälfte der aus relativistischen konstituierenden Quark Modellen ("relativistic constituent quark models") vorhergesagten 60%. Diese experimentelle Entdeckung hat unser Verständnis der inneren Struktur des Protons herausgefordert und ein globales Programm der experimentellen sowie theoretischen Forschung angeregt, um die Rolle des Spins in der inneren Struktur des Protons zu verstehen. Im engen Kontakt mit experimentellen Gruppen am CERN, DESY, Jefferson Lab (Viginia) und RHIC (New York) durchgeführte theoretische Studien machen echte Fortschritte hin zum Verständnis, wie der Spin des Protons auf seine Quarks und Gluonen verteilt ist. Eine wichtige Frage für aktuelle Experimente der nächsten drei Jahre ist, ob der "fehlende Spin" eine Eigenschaft des Valenzquarks (die führende Fock-Komponente der Proton-Wellenfunktion) ist, oder ob der See aus Quark- und Antiquarkanregungen in der entgegengesetzten Richtung des Protonenspins polarisiert ist, was einen Teil des Spinbeitrags des Valenzquarks aufheben würde. Das Projekt betont Synergien und zum gegenseitigen Vorteil enge Wechselwirkung zwischen Theorie und Experiment, auch zur Verbindung des Protonenspinproblems mit dem berühmten axialen U(1)-Problem der QCD, der Rolle der gluonischen Freihatsgrade in der dynamischen chiralen Symmetriebrechung. Verwandte Probleme der Spinphysik in der Quantenfeldtheorie und deren Anwendung auf das Quark-Confinement sowie der Kosmologie werden ebenfalls untersucht werden.

Protonen gehören neben Neutronen und Elektronen zu den Elementarteilchen, aus denen die Materie des menschlichen Alltags besteht. Wobei Protonen und Neutronen im Atomkern sitzen und Elektronen außen herumschwirren. Protonen sind mit 10-15 m sehr klein, bestehen aber wiederum aus anderen Teilchen, den so genannten Quarks. Im Fall von Protonen, genau genommen drei Quarks, die von den Gluonen, einer Art Klebemasse, zusammengehalten werden.Die WissenschaftlerInnen versuchen mit Hilfe von Experimenten in Teilchenbeschleunigern ungeklärte Rätsel im Proton zu lösen: Protonen, genauso wie Elektronen und Neutronen, verhalten sich wie quantisierte Kreisel. Die Drehungen sind dabei eine elementare Eigenschaft der Materie im Kleinen wie im Großen. Der Spin ist beispielsweise verantwortlich für die verschiedenen Phasen der Materie bei niedrigen Temperaturen genauso aber auch für die Eigenschaften der Neutronensterne und die Stabilität des bekannten Universums.Laut statischem Quarkmodell sollte sich der Spin der Protonen aus dem Spin der Quarks zusammensetzen. Zum Erstaunen der Wissenschaftler zeigten Experimente in den Teilchenbeschleunigern von CERN (European Laboratory for Particle Physics) in Genf, von DESY (Deutsches Elektron-Synchotron) in Hamburg und RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Long Island, New York, dass der Beitrag der Quarks am Spin nur 35% beträgt. Was aber ist verantwortlich für die fehlenden 65%? Um das Innere der Protonen genauer zu durchleuchten, wurde ein weltweites Programm ins Leben gerufen. Wenn man tiefer in die Materie hineinblickt, sieht man noch mehr - und zwar neben den Quarks auch Antiquarks und Gluonen. Arbeiten in Kooperation mit den experimentellen Gruppen zeigen, dass die Gluon- und Antiquark- Spinbeiträge klein sind, zu klein, um das Spinrätsel zu lösen. Das Spinrätsel wird nun als Interaktion der drei Quarks mit dem komplexen Vakuum der Quantenchromodynamik verstanden, welche eine signifikante Bahnbewegung der Quarks im Proton und womöglich partielle Auflösung des Quark- Spins im Vakuum produziert.Eine wichtige Veröffentlichung aus dem Projekt ist ein neuer Artikel für Reviews of Modern Physics mit führenden experimentellen Kollegen, der die Ergebnisse und Schlussfolgerungen von 25 Jahren globalem Programm, die Spinstruktur des Protons zu verstehen, zusammenfasst.