Das genaueste Bild des Protons

15 Jahre lang kollidierten Elektronen und Protonen im Teilchenbeschleuniger HERA am Forschungszentrum DESY in Hamburg, weitere acht Jahre werteten Wissenschaftler die gesammelten Daten aus. Jetzt haben die Teilchenphysiker der beiden großen HERA-Experimente H1 und ZEUS die weltweit präzisesten Resultate über die innere Struktur und das Verhalten des Protons veröffentlicht. Die Analyse zeichnet ein detailliertes Bild vom Teilchensee im Inneren des Teilchens.

Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass Protonen sich aus drei Quarks zusammensetzen – aus zwei Up- und einem Down-Quark –, die durch die sogenannten Gluonen zusammengehalten werden, die Trägerteilchen der starken Kraft. Tatsächlich ist das Innenleben des Protons jedoch noch wesentlich komplexer: Das Proton gleicht einer brodelnden Teilchensuppe, in der Gluonen weitere Gluonen produzieren oder Quark-Antiquark-Paare bilden, die sogenannten Seequarks, die wiederum alle sehr schnell wieder miteinander wechselwirken. Mit der Hadron-Elektron-Ring-Anlage, kurz HERA, waren Forscher in der Lage, tief in das Innere des Protons hineinzusehen und seine Struktur mithilfe von Elektronen – oder deren Antiteilchen, den Positronen – als Sonden genauestens zu untersuchen. Denn die Leptonen dringen tief in das Proton ein und werden jeweils an einem der Bausteine des Protons gestreut.

Für ihre umfassende Analyse kombinierten die Teams beider Detektoren nun die Daten von mehr als zwei Milliarden solcher Teilchenkollisionen. Rund dreihundert Autoren von siebzig Forschungsinstituten untersuchten dabei die Wahrscheinlichkeit für verschiedene Verhaltensweisen dieser Lepton-Proton-Streuprozesse und verglichen ihre Ergebnisse mit der bestmöglichen Beschreibung der Struktur des Protons, der Theorie der Quantenchromodynamik. Ergebnis: Die HERA-Ergebnisse stimmen ideal mit der Theorie überein und zeigen dabei, dass die Struktur des Protons immer dynamischer wird, je höher die Energie ist, bei der sie erkundet wird.

Zudem können die HERA-Daten belegen, dass sich die elektromagnetische und die schwache Kraft bei extrem hohen Energien vereinigen, wie es vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt wird. Diese Erkenntnis stützt die Vermutung der Physiker dass diese beiden Kräfte zwei Seiten derselben Medaille sind, obwohl die elektromagnetische Kraft bei niedrigen Energien viel stärker ist als die schwache Kraft. Dieses Resultat weist womöglich sogar den Weg zur Vereinheitlichung aller vier Grundkräfte der Natur.

„Durch die Kombination der Messungen von beiden Detektoren erreichen wir die höchstmögliche Präzision unserer Ergebnisse“, sagt Stefan Schmitt vom DESY als Sprecher der H1-Kollaboration. Denn die kombinierten Daten würden nicht nur von der verbesserten Statistik profitieren, sondern auch von einem besseren Verständnis jeder einzelnen Messung. „Diese Ergebnisse sind nicht nur wichtig für das Verständnis der grundlegenden Eigenschaften der Materie, sie sind auch eine essentielle Basis für Experimente an Protonenbeschleunigern wie dem LHC am CERN in Genf“, kommentiert DESY-Forschungsdirektor Joachim Mnich.

Dennoch hinterlassen die Daten auch immer noch Rätsel bei der Überprüfung des Standardmodells der Teilchenphysik. „Besonders bei einem niedrigen Energieübertrag zwischen Elektron und Proton kann die als Bezugstheorie verwendete Quantenchromodynamik unsere Messungen nicht ausreichend beschreiben“, berichtet ZEUS-Sprecher Matthew Wing vom University College London. „Das wird auf alle Fälle etwas sein, auf das Theoretiker und Phänomenologen in Zukunft ein Auge werfen sollten.“

Bereits im Jahr 2009 veröffentlichten H1 und ZEUS eine gemeinsame Arbeit über die Struktur des Protons, das allerdings nur auf den Daten des HERA-Betriebs bis zum Jahr 2000 basiert. Mit 600 Zitierungen bis heute ist es eine der am häufigsten zitierten Publikationen auf diesem Gebiet. Die jetzt erschienene Veröffentlichung basiert auf der vierfachen Anzahl an Teilchenkollisionen und enthält auch Daten aus einem speziellen Betrieb von HERA bei unterschiedlichen Teilchenenergien.