Das Innere des Atoms wird zum ersten Mal in einem Bild von Quarks und Gluonen gezeigt

Forscher geben das Ergebnis bekannt, dass sie in einem Experiment am LHC das Innere des Atoms beobachten konnten.

Illustration des von der Forschergruppe mit Quarks und Gluonen gewonnenen Bildes.

Die inneren Strukturen des Atoms zu verstehen, ist eine der Herausforderungen, denen sich die Physiker seit Ende des 19. Die Frage, woraus die Materie besteht, reicht jedoch bis in die Antike zurück, als die Philosophen begannen, darüber nachzudenken. In den letzten Jahrhunderten hat diese Frage mehrere brillante Köpfe beschäftigt, von Isaac Newton bis Albert Einstein und Zeitgenossen wie Bohr, Oppenheimer und Schrödinger.

In diesem Jahrhundert wurden mit milliardenschweren Investitionen Experimente an Anlagen durchgeführt, um das Verständnis der Atome weiter zu vertiefen. Eine solche Anlage ist der Teilchenbeschleuniger des CERN, der LHC, der derzeit der größte Teilchenbeschleuniger der Welt ist. Berühmt wurde der LHC im Jahr 2013, als Forscher dort die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt gaben.

Kürzlich wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters ein Artikel veröffentlicht, in dem Forscher einer Kollaboration zur Untersuchung der Struktur des Atoms ein Bild von Quarks und Gluonen veröffentlichten. Das Bild stammt aus Experimenten, die in verschiedenen Beschleunigern durchgeführt wurden, darunter auch Daten, die mit dem LHC gewonnen wurden. Das Experiment basierte auf Elektronen, die auf hohe Energien beschleunigt wurden, um eine Art Karte des Atoms zu erhalten.

Aufbau des Atoms

Wir haben schon früh gelernt, dass ein Atom aus Teilchen namens Protonen, Elektronen und Neutronen besteht. Elektronen sind negative Teilchen, die sich in einer Wolke um den Kern des Atoms befinden, der aus Protonen und Neutronen besteht. Protonen haben positive Ladungen, während Neutronen keine Ladungen haben. Während Elektronen fundamentale Teilchen sind, sind Protonen und Neutronen keine.

Im Atom gibt es mehrere Wechselwirkungen, z. B. die elektromagnetische Wechselwirkung, die für die Elektronenbahnen verantwortlich ist, und die starke Wechselwirkung, die für den Zusammenhalt der Protonen im Atomkern verantwortlich ist.

Jedes Proton und Elektron besteht aus noch kleineren Teilchen, den Quarks. Die Art der Quarks ist unterschiedlich: Das Proton besteht aus drei Quarks, von denen zwei up- und eines down-Quarks sind, das Neutron dagegen aus zwei down- und einem up-Quark. Ein weiteres Teilchen ist Teil dieser Wechselwirkung und wird als Gluon bezeichnet, das die starke Wechselwirkung vermittelt und Protonen und Neutronen im Kern hält.

Quarks und Gluonen

Die Quarks, die den innersten Teil von Protonen und Neutronen bilden, werden Fermionen genannt und haben sechs verschiedene Typen. Die Art jedes Quarks wird als Flavour bezeichnet und kann up, down, charm, strange, top und bottom sein. Die Ladung und Masse von Teilchen wie Protonen und Neutronen hängen davon ab, wie die Quarks angeordnet sind und welche Art von Quark im Inneren vorhanden ist.

Die Verbindung zwischen den Quarks zur Bildung der Struktur eines Protons oder Neutrons erfolgt durch ein vermittelndes Teilchen, das Gluon. Wenn zwei Quarks auseinandergezogen werden, verstärkt sich die Wechselwirkung und es entsteht eine Spannung wie bei einem gespannten Gummiband. Außerdem haben Quarks eine Art von Ladung, die als Farbladung bezeichnet wird. Die Summe der Farbladungen eines Teilchens ist Null.

Erleben Sie

Eine Möglichkeit, die Struktur des Atoms zu verstehen und abzubilden, ist die Kollision von Elektronen unterschiedlicher Energie. Die bekanntesten Experimente bestehen darin, Elektronen, die auf unterschiedliche Geschwindigkeiten beschleunigt wurden, auf Atome zu schießen. Bei niedrigeren Energien wechselwirken die Elektronen mit geladenen Teilchen wie Protonen und anderen Elektronen.

Wenn sie auf höhere Energien beschleunigt werden, wie in Teilchenbeschleunigern wie dem LHC, ist es möglich, Wechselwirkungen mit Quarks und Gluonen zu beobachten. Eines der Ergebnisse dieser Experimente ist, dass sich Gluonen und Quarks gemeinsam und nicht isoliert verhalten. Es ist, als gäbe es eine Region, die aus Quarks und Gluonen besteht, und die Untersuchung dieser Regionen ist wichtig für das Verständnis ihrer Eigenschaften.

Erstes Bild

Anhand von Daten aus dem LHC analysierte eine Forschergruppe die Ergebnisse von energiereichen Elektronen, die gegen Atome geschossen wurden. Damit konnten sie eine Funktion erhalten, die beschreibt, wie die Struktur im Inneren des Atoms aussieht. In der Teilchenphysik ist das Verständnis der Verteilung durch Atomkollisionen der beste Weg, um sich ein Bild davon zu machen, wie die Struktur funktioniert.

Die Funktion, wie die Teilchen in jeder Art von Atom verteilt sind, gibt Informationen, die dem Bild der Atomstruktur ähneln. — Die Funktion, wie die Teilchen in den einzelnen Atomtypen verteilt sind, gibt bildähnliche Informationen über die Struktur des Atoms. Kredit: Denniston et al. 2024

Insgesamt untersuchten sie 18 Atomkerne und die Verteilungen sowohl korrelierter als auch unkorrelierter Quark- und Gluonenstrukturen. Die Ergebnisse bestätigten die bekannte Beobachtung in Niederenergieexperimenten, dass die meisten korrelierten Paare Proton-Neutronen-Paare sind. Dieser Ansatz bietet eine bessere Beschreibung der experimentellen Daten als herkömmliche Methoden.

Quellenhinweis:

Denniston et al. 2024 Modification of Quark-Gluon Distributions in Nuclei by Correlated Nucleon Pairs Physical Review Letters