Forschungsschwerpunkte
Das P̅ANDA-Experiment ist der Erforschung verschiedener Phänomene und Eigenschaften der starken Kraft gewidmet. In unserem Alltag begegnen wir der starken Kraft nicht direkt, dennoch spielt sie eine sehr wichtige Rolle, da sie den Aufbau der Materie maßgeblich bestimmt: Quarks werden durch die starke Kraft voneinander angezogen und bilden gebundene Zustände (Hadronen), wie zum Beispiel die Nukleonen (Proton und Neutron), die ihrerseits durch eine Restwirkung der starken Kraft alle Atomkerne der uns umgebenden Materie bilden!
Eine sehr ungewöhnliche Eigenschaft der starken Kraft, die sie von allen anderen uns bekannten Kräften unterscheidet, besteht darin, dass sie sehr klein ist, so lange Quarks sich nahe beieinander befinden (asymptotische Freiheit) und mit zunehmendem Abstand zunächst ansteigt und dann nahezu konstant bleibt. Man kann es sich so vorstellen, als hätte man ein Objekt gefunden, dass klein erscheint, wenn man es aus der Nähe betrachtet und mit zunehmender Entfernung nicht kleiner erscheint, sondern größer und irgendwann unabhängig von seiner Entfernung immer einen gleichgroßen Bereich des Blickfeldes einnimmt.
Um ein Quark immer weiter aus einem gebundenen Zustand zu entfernen, muss man daher mit zunehmender Entfernung immer mehr Arbeit leisten und erhöht damit die potentielle Energie des Systems. Entsprechend Einsteins berühmter Gleichung E=mc² kann diese Energie in Masse umgewandelt werden und es bildet sich ein neues Quark-Antiquark-Paar, so dass das neue Quark das entfernte Quark ersetzt und das Antiquark mit dem entfernten Quark einen gebunden Zustand (Meson) bildet. Darum ist es nicht möglich einzelne Quarks (oder Antiquarks) zu beobachten, sie sind immer in gebundenen Zuständen „eingeschlossen” (Confinement). Es ist eine der größten intellektuellen Herausforderungen der modernen Physik, diesen Einschluss von Quarks in gebundenen Zuständen nicht nur als Phänomen, sondern auch quantitativ aus der Theorie der starken Wechselwirkung zu verstehen.
Ein weiteres Rätsel der starken Kraft ist der Ursprung der Masse solcher gebundenen Zustände. Beispielsweise ist die Masse eines Nukleons etwa 100 mal größer als die Summe der Massen der Quarks, aus denen es zusammengesetzt ist (Valenzquarks). Ein Proton beispielsweise besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Diese Quarks haben zusammen eine Masse von etwa 10 MeV/c², das ganze Proton hat jedoch eine Masse von 938,272 MeV/c².
Es ist klar, dass ein Großteil der Masse aus der Bindungsenergie der Quarks stammt, aber es ist auch bekannt, dass es außer den Valenzquarks auch wie oben beschrieben Quark-Antiquark-Paare entstehen, die aber nach kürzester Zeit wieder in Energie umgewandelt werden. Aufgrund der Äquivalenz von Energie und Masse (E = mc², siehe oben) trägt die Bindungsenergie ebenfalls zur Masse bei, wobei sie bei Hadronen den dominanten Anteil darstellt.
Die Wechselwirkung zwischen den Quarks wird durch den Austausch von Gluonen beschrieben, die zwar selbst masselos sind, aber durch ihre Bewegungsenergie ebenfalls zur Masse der gebunden Zustände beitragen. Um experimentell die genaue Zusammensetzung der einzelnen Beiträge zur Gesamtmasse zu ermitteln und zu verstehen welche Bewegungsenergie die verschiedenen Teilchen in welchem Abstand jeweils haben, wird das P̅ANDA-Experiment bei dem hochenergetische Antiprotonen und Ionen auf ein Proton-Target treffen einen wichtigen Beitrag leisten.
Um mehr Einblicke in die verschiedenen vom P̅ANDA-Experiment untersuchten Themenbereiche zu gewinnen, klicken Sie auf einen der folgenden Links:
Hadronenspektroskopie
Suche nach exotischen Teilchen und präzise Bestimmung von Eigenschaften verschiedener Hadronen
Hadronen in Materie
Untersuchung der Effekte umgebender Materie auf die Eigenschaften von Hadronen
Nukleonenstruktur
Untersuchung der Verteilung der Bestandteile der Nukleonen (Parton-Distribution) und der zeitartigen Formfaktoren
Hyperkerne
Messung nuklearer Eigenschaften in Anwesenheit eines oder mehrerer strange-Quarks
Eine sehr ungewöhnliche Eigenschaft der starken Kraft, die sie von allen anderen uns bekannten Kräften unterscheidet, besteht darin, dass sie sehr klein ist, so lange Quarks sich nahe beieinander befinden (asymptotische Freiheit) und mit zunehmendem Abstand zunächst ansteigt und dann nahezu konstant bleibt. Man kann es sich so vorstellen, als hätte man ein Objekt gefunden, dass klein erscheint, wenn man es aus der Nähe betrachtet und mit zunehmender Entfernung nicht kleiner erscheint, sondern größer und irgendwann unabhängig von seiner Entfernung immer einen gleichgroßen Bereich des Blickfeldes einnimmt.
Um ein Quark immer weiter aus einem gebundenen Zustand zu entfernen, muss man daher mit zunehmender Entfernung immer mehr Arbeit leisten und erhöht damit die potentielle Energie des Systems. Entsprechend Einsteins berühmter Gleichung E=mc² kann diese Energie in Masse umgewandelt werden und es bildet sich ein neues Quark-Antiquark-Paar, so dass das neue Quark das entfernte Quark ersetzt und das Antiquark mit dem entfernten Quark einen gebunden Zustand (Meson) bildet. Darum ist es nicht möglich einzelne Quarks (oder Antiquarks) zu beobachten, sie sind immer in gebundenen Zuständen „eingeschlossen” (Confinement). Es ist eine der größten intellektuellen Herausforderungen der modernen Physik, diesen Einschluss von Quarks in gebundenen Zuständen nicht nur als Phänomen, sondern auch quantitativ aus der Theorie der starken Wechselwirkung zu verstehen.
Ein weiteres Rätsel der starken Kraft ist der Ursprung der Masse solcher gebundenen Zustände. Beispielsweise ist die Masse eines Nukleons etwa 100 mal größer als die Summe der Massen der Quarks, aus denen es zusammengesetzt ist (Valenzquarks). Ein Proton beispielsweise besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Diese Quarks haben zusammen eine Masse von etwa 10 MeV/c², das ganze Proton hat jedoch eine Masse von 938,272 MeV/c².
Es ist klar, dass ein Großteil der Masse aus der Bindungsenergie der Quarks stammt, aber es ist auch bekannt, dass es außer den Valenzquarks auch wie oben beschrieben Quark-Antiquark-Paare entstehen, die aber nach kürzester Zeit wieder in Energie umgewandelt werden. Aufgrund der Äquivalenz von Energie und Masse (E = mc², siehe oben) trägt die Bindungsenergie ebenfalls zur Masse bei, wobei sie bei Hadronen den dominanten Anteil darstellt.
Die Wechselwirkung zwischen den Quarks wird durch den Austausch von Gluonen beschrieben, die zwar selbst masselos sind, aber durch ihre Bewegungsenergie ebenfalls zur Masse der gebunden Zustände beitragen. Um experimentell die genaue Zusammensetzung der einzelnen Beiträge zur Gesamtmasse zu ermitteln und zu verstehen welche Bewegungsenergie die verschiedenen Teilchen in welchem Abstand jeweils haben, wird das P̅ANDA-Experiment bei dem hochenergetische Antiprotonen und Ionen auf ein Proton-Target treffen einen wichtigen Beitrag leisten.
Um mehr Einblicke in die verschiedenen vom P̅ANDA-Experiment untersuchten Themenbereiche zu gewinnen, klicken Sie auf einen der folgenden Links:
Hadronenspektroskopie
Suche nach exotischen Teilchen und präzise Bestimmung von Eigenschaften verschiedener Hadronen
Hadronen in Materie
Untersuchung der Effekte umgebender Materie auf die Eigenschaften von Hadronen
Nukleonenstruktur
Untersuchung der Verteilung der Bestandteile der Nukleonen (Parton-Distribution) und der zeitartigen Formfaktoren
Hyperkerne
Messung nuklearer Eigenschaften in Anwesenheit eines oder mehrerer strange-Quarks