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 der Vorlesung 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 der Vorlesung ist, einen  Einblick in den Stand unseres Verständnisses des Quark-Gluon-Aufbaus der Kernbausteine zu vermitteln.

 Nach erfolgreicher Teilnahme an der Vorlesung haben die Studierenden

1. einen Überblick über die Quark-Verteilungsfunktionen und
2. die für sie formulierten und experimentell überprüften Summenregeln, sowie
3. einen Einblick in komliziertere Korrelationsfunktionen, z.B. für tranversalen Freiheitsgrade.

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

Die vorausgegange erfolgreiche Teilnahme an einer Grundvorlesung zur Teilchenphysik bzw. Quantenmechanik ist sinnvoll, die elementaren Konzepte werden aber nochmals eingeführt.

Die Vorlesung 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. In den Übungsteilen 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

Thomas, Weise: The Structure of the Nucleon, esp. chapter 4
Povh: Particles and Nuclei
Halzen, Martin: Quarks and Leptons

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 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?