HERMES

Waar draait het om in het proton?

Er komen in de natuur verschillende draaibewegingen voor. In ons zonnestelsel bijvoorbeeld draaien de planeten niet alleen om de zon, maar ook om hun eigen as. Ook elektronen, die baantjes om de atoomkern trekken, tollen rond. Zo'n tollende beweging van een elementair deeltje wordt wel aangeduid met de term 'spin'. Deeltjes met elektrische lading krijgen, wanneer zij rondtollen, de eigenschappen van een klein magneetje.

Ook quarks, de kleinste bouwstenen van de natuur, hebben spin. Het ligt dan voor de hand te veronderstellen dat de spin van uit quarks samengestelde deeltjes - zoals protonen, neutronen en de daaruit opgebouwde atoomkernen - op eenvoudige wijze is terug te voeren op de quarkspins. Uit recente metingen blijkt echter dat dit niet het geval is.


Fig. 1 De drie zogenaamde valentiequarks in het proton (midden) wisselwerken met elkaar door de uitwisseling van gluonen (rechts). Deze gluonen kunnen gedurende korte tijd in een quark- antiquarkpaar overgaan, waardoor een 'zee' van verschijnende en weer verdwijnende quarks ontstaat (links). De pijlen geven de spinrichting van de deeltjes weer.

Metingen van de bijdrage van quarks aan de protonspin vinden ondermeer plaats in Hamburg bij het HERMES-experiment. In dit experiment, waaraan ook het NIKHEF deelneemt, wordt een elektronenbundel verstrooid aan de quarks in waterstofkernen (figuur 2).


Fig. 2 Verstrooiïng van een elektron aan een quark in een proton. Omdat de sterke wisselwerking quarks bijeen 'kluistert', worden in de eindtoestand geen vrije quarks waargenomen, maar uitsluitend hadronen, die zijn samengesteld uit 2 of 3 quarks.

De elektronen in de bundel zijn gepolariseerd: hun spins wijzen alle in dezelfde richting. Ook de waterstofkernen - die uit een enkel proton bestaan - zijn gepolariseerd. Tijdens de meting wordt hun polarisatierichting regelmatig omgekeerd en we kijken of daarbij een asymmetrie van het verstrooiingsproces wordt gemeten. Deze asymmetrie ontstaat alleen als de quarkspins bij voorkeur in dezelfde (of juist in tegengestelde richting) wijzen als de protonspin (figuur 3). Uit een groot aantal van dergelijke asymmetriemetingen volgt uiteindelijk de totale hoeveelheid spin die de quarks in het proton dragen. Door te meten aan deuterium- en heliumkernen - die naast protonen ook neutronen bevatten - wordt informatie over de spin van het neutron verkregen.


Fig. 3 Verstrooiing van een gepolariseerd elektron aan een gepolariseerde quark. De verstrooiïng kan alleen optreden als de spin van het elektron tegengesteld is aan de spin van het quark.

Bij het HERMES-experiment gebruiken we de elektronenbundel van de HERA-opslagring bij DESY. Ruim de helft van de elektronen - met een energie van 30 GeV- is gepolariseerd. Zij worden verstrooid aan een ijle 'trefplaat' van waterstofkernen, in feite een gasstroom die loodrecht op de bundel in de ring wordt geïnjecteerd. Het voordeel van zo'n gasstroom is dat het merendeel van de waterstofkernen in het gas (ruim 90 %) gepolariseerd kan worden.

De aan de quarks in de protonen verstrooide elektronen worden gedetecteerd in de spectrometer. Het is van belang het spoor van deze elektronen nauwkeurig te kennen en hiertoe zijn positiegevoelige detectoren geïnstalleerd. Dichtbij het interactiepunt, waar de deeltjesdichtheid groot is, wordt een nieuwe detectietechniek toegepast. In plaats van klassieke dradenkamers, gebruiken we zogenaamde Multi-Strip Gas Counters (MSGC's) waarin de rol van de draden is overgenomen door strips, die op een substraat zijn geëtst. Omdat de strips dichter naast elkaar zitten dan bij draden mogelijk is, kunnen MSGC's de deeltjes met grotere precisie waarnemen.


Fig. 4 De neutronspin-structuurfunctie g1n(x) zoals gemeten door de E142 Collaboratie (SLAC) in Stanford (VS) en de HERMES Collaboratie (DESY) in Hamburg

In figuur 4 wordt de bijdrage van de quarks aan de neutronspin weergegeven zoals gemeten in het HERMES-experiment en in een experiment van SLAC. De twee resultaten zijn in goede overeenstemming en nadere analyse laat zien dat de neutronspin - net als de protonspin - slechts voor zo'n 30% door de quarks wordt gedragen. We vermoeden nu dat een groot deel van de spin gedragen wordt door gluonen, de dragers van de sterke wisselwerking tussen de quarks.


Fig. 5 Mechanisme voor de productie van mesonen die een charm-quark bevatten in hoge-energie elektronenverstrooiing.

Om beter te begrijpen hoe de proton- en neutronspin zijn opgebouwd, willen we ook de overige deeltjes die bij de botsingen ontstaan (figuur 2) bestuderen. Daarmee kan de bijdrage van afzonderlijke quarksoorten (up, down, strange) aan de protonspin bepaald worden. Om de bijdrage van gluonen te meten, willen we in een nieuwe reeks experimenten aan protonen de 'charm'-mesonen tellen die tijdens de botsingen geproduceerd worden. Deze mesonen bevatten een 'charm-quark', dat alleen in het proton kan ontstaan tengevolge van de wisselwerking van een gluon met een quantumfluctuatie (figuur 5), en zijn dus direkt aan de gluonen gerelateerd. Als het aantal 'charm'-mesonen varieert wanneer de oriëntatie van de protonspin verandert, weten we dat gluonen bijdragen aan de protonspin.

Eindelijk zal dan verklaard zijn waar de protonspin vandaan komt.


Bundelpijp naar HERMES-opstelling
Terug naar de index.