Neuer Detektor enthüllt das Teilchenchaos im Neutron

Ein seit mehr als zehn Jahren vorbereitetes Experiment hat erstmals einen Blick auf den Wirbelsturm aus Teilchen ermöglicht, der im Inneren der als Neutronen bekannten subatomaren Teilchen kreist. Damit ist eine Grundlage geschaffen, um ein Rätsel im tiefsten Inneren der Materie zu lösen.

Daten des Central Neutron Detector an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF) des US-Energieministeriums tragen bereits dazu bei, die Quantenkarte des Neutronenantriebs zu beschreiben.

„Das ist ein sehr wichtiges Ergebnis für die Erforschung von Nukleonen“, sagt Silvia Niccolai, Forschungsdirektorin am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung.

Quarks und Gluonen im Neutron

Was wir als Atomkern betrachten, gleicht einem Bienenstock noch kleinerer Teilchen: Quarks ringen darin unter dem Einfluss eines zähen Austauschs von Gluonen miteinander. Wo zwei Quarks der Sorte „Up“ an ein Quark der Sorte „Down“ gebunden sind, befindet sich ein Proton. Besteht die Kombination dagegen aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark, handelt es sich um ein Neutron.

Diese Beschreibung von Quark-Trios lässt sie so ordentlich erscheinen wie Eier in einem Karton. Tatsächlich sind sie jedoch keineswegs bequem angeordnet: In einem chaotischen Sturm konkurrieren Teilchen und Antiteilchen auf Quantenebene darum, zugleich zu existieren und nicht zu existieren.

Um Verteilung und Bewegung von Quarkschwärmen in ihren Gluonenfesseln zu erfassen, beschießen Physiker Kernteilchen traditionell mit Elektronen und beobachten, wie die winzigen Geschosse zurückprallen. Damit sich die Resultate solcher Versuche leichter beschreiben lassen, bezeichnen Theoretiker Einheiten aus Quarks und Gluonen, die innerhalb unterschiedlicher Quantengerüste wirken, als Partonen.

In den vergangenen Jahrzehnten haben Hochenergieexperimente am TJNAF mit dem CEBAF Large Acceptance Spectrometer und dessen Ausbau das Partonenrätsel des Protons entschlüsselt. Dabei wurden unter anderem rätselhafte Unterschiede zwischen Masse und Größe des Nukleons aufgeklärt.

Neutronen erwiesen sich als deutlich schwerer zugänglich, weil ihre Elektronensplitter in Winkeln austreten, die außerhalb des Erfassungsbereichs des Spektrometerdetektors liegen.

„In der Standardkonfiguration war es nicht möglich, Neutronen bei diesen Winkeln nachzuweisen“, sagt Niccolai.

2011 begann gemeinsam mit dem CNRS der Bau eines neuen Detektors. Er wurde schließlich 2017 installiert und in ersten Versuchsreihen 2019 und 2020 ausführlich erprobt.

Central Neutron Detector untersucht GPD E

Der Verlauf war alles andere als reibungslos: Das Versuchsdesign ließ gelegentlich Protonen durch, die die Ergebnisse verfälschten. Erst nachdem ein eigens entwickelter Filter für maschinelles Lernen die Daten bereinigt hatte, konnten die Werte auf theoretische Modelle zur Aktivität von Neutronen angewandt werden.

Die erste Untersuchung, die diese Daten nutzt, setzt dringend benötigte Grenzen für eine der am wenigsten verstandenen Partonenverteilungen im Neutron: die generalisierte Partonenverteilung (GPD) E.

Durch den Vergleich der Versuchsergebnisse mit früheren Protonendaten nutzten die Forschenden die Unterschiede zwischen den Quarks, um ein bedeutendes mathematisches Merkmal von GPD E von einem ähnlichen Modell abzugrenzen.

„Die GPD E ist sehr wichtig, weil sie uns Informationen über die Spinstruktur von Nukleonen liefern kann“, sagt Niccolai.

Spin bezeichnet im Quantensinn eine Eigenschaft, die dem Drehimpuls in unserer Alltagswelt ähnelt. Frühere Messungen der Spins jener Quarks, aus denen Protonen und Neutronen bestehen, zeigen, dass diese Merkmale höchstens rund 30 Prozent zum gesamten Spin eines Nukleons beitragen. Daraus entstand die sogenannte Spin-Krise.

Woher der verbleibende Anteil stammt – ob aus Wechselwirkungen mit Gluonen oder aus einem anderen, weniger verstandenen Verhalten –, könnten künftige Experimente womöglich endgültig klären.

Ein Verfahren zu besitzen, mit dem sich die beiden im Herzen der Atome arbeitenden Antriebe präzise vergleichen lassen, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit faszinierende neue Einblicke in die Quantenmechanik liefern.

Diese Forschung wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.