Abstract
Alle materie die ons omringt is opgebouwd uit atomen. Elk atoom bestaat uit een zeer kleine compacte kern omringd door elektronen. De atoom-kernen van de verschillende soorten materie (waterstof, stikstof, ijzer, enzovoort) onderscheiden zich door verschillende aantallen neutronen en proto-
nen (nucleonen). Nucleonen zijn opgebouwd uit quarks en gluonen. Quarks
zijn, voor
... read more
zover bekend, ondeelbaar. Gluonen zijn de dragers van de "sterke
kracht" die zorgdragen voor de binding van de quarks in het nucleon. Quarks
komen niet vrij in de natuur voor, ze zijn altijd gebonden met minstens een
ander quark.
Informatie over de quark-gluon structuur van het nucleon kan worden
verkregen door hoogenergetische elektronen met een atoomkern te laten bot-
sen. Indien de energie van het elektron hoog genoeg is, treedt met een zekere
waarschijnlijkheid verstrooiing (verandering van richting en energie) van een
elektron aan een quark in een van de nucleonen op. Zo'n verstrooiingsproces
wordt beschreven als de overdracht van een foton (de drager van de "elek-
tromagnetische kracht") van het elektron aan de quark. Omdat impuls en
energie van dit foton niet gelijk zijn, betekent dit dat het foton geen gewoon
foton is (zoals bij licht), maar een virtueel foton. De impulsoverdracht is
een maat voor het oplossend vermogen (resolutie) van het verstrooiingspro-
ces. Het verstrooiingsproces wordt verder gekarakteriseerd door de polari-
satie van het virtuele foton. De draaiende beweging (spin) van het foton
is longitudinaal of transversaal ten opzichte van bewegingsrichting van het
foton.
Indien het nucleon deel uitmaakt van een atoomkern kan informatie wor-
den verkregen over de invloed van de omringende nucleonen op, onder andere,
de werkzame doorsnede (?) van het verstrooiingsproces van het elektron aan
de quark. De werkzame doorsnede is een maat voor de waarschijnlijkheid
dat de verstrooiing optreedt. Voor 1982 was de verwachting dat de invloed?140 SAMENVATTING
van de omringende nucleonen te verwaarlozen zou zijn, omdat het elektron
een energie aan de quark overdraagt die zo'n honderd maal groter is dan de
bindingsenergie van de nucleonen in de atoomkern. Bij experimenten op het
CERN (in Geneve) in 1982 is echter gebleken dat deze verwachting onjuist
is. Het onderzoek dat is beschreven in het eerste deel van dit proefschrift
richt zich op de vraag naar de invloed van de omringende nucleonen op de
werkzame doorsnede van elektron-quark verstrooiing.
Door de absorptie van het hoogenergetische foton zal de quark zich ver-
wijderen van de omringende quarks in het nucleon, en combineert dan met
een of meerdere quarks - die voornamelijk voortkomen uit het omringende
vacu? um - tot een re?eel deeltje (hadron). Door dit formatieproces te laten
plaatsvinden in een atoomkern is het mogelijk de tijdsduur van hadron-
formatie te bestuderen. De atoomkern functioneert dan als een soort l-
ter. Als het hadron snel wordt gevormd is de afstand die het hadron door de
atoomkern moet a eggen groot, en is de kans op energieverlies van het hadron
door wisselwerkingen met de atoomkern ook groot. Evenals het hadron kan
ook de quark wisselwerken met de atoomkern, echter de waarschijnlijkheden
voor deze wisselwerkingen zijn niet gelijk. Informatie over de tijdsduur die
nodig is voor de formatie van een hadron kan worden verkregen indien de
hadronen worden waargenomen met een detector, en het aantal en de energie
van de hadronen worden vergeleken met de situatie waarbij een zeer kleine
atoomkern wordt gebruikt.
Het verstrooiingsexperiment dat is beschreven in dit proefschrift is uit-
gevoerd met een experimentele opstelling bij DESY (in Hamburg), die de
naam HERMES draagt. In het resterende gedeelte van deze samenvatting
zullen de experimentele resultaten worden beschreven. De invloed van de om-
ringende nucleonen op het elektron-quark verstrooiingsproces en het hadron
formatieprocess worden achtereenvolgens besproken.
De verhouding van de werkzame doorsnedes voor verstrooiing aan stikstof
(7 neutronen en 7 protonen) en deuterium (1 neutron en 1 proton), ?14 N =?2 H,
is bepaald voor verschillende waarden van de energie- en impulsoverdracht.
De waarden voor ?14 N =?2 H zijn beduidend lager dan kan worden verwacht
op basis van metingen die eerder zijn uitgevoerd bij het CERN. Het verschil
tussen de HERMES en CERN metingen is in dit proefschrift toegeschreven
aan een afhankelijkheid van de verhouding ?14 N =?2 H van de polarisatie van
het virtuele foton. Dit is mogelijk omdat de fotonpolarisatie verschillend
is voor de twee experimenten. Door gebruik te maken van de afhanke-?SAMENVATTING 141
lijkheid van ?14 N =?2 H van de fotonpolarisatie kan afzonderlijke informatie
worden verkregen over de verandering van de longitudinale en transversale
verstrooiing in stikstof ten opzichte van deuterium.
Bij lage waarden van de impulsoverdracht blijkt de werkzame doorsnede
voor de absorptie van transversaal gepolariseerde fotonen een factor twee
kleiner te zijn voor stikstof dan voor deuterium, terwijl voor longitudinaal
gepolariseerde fotonen de werkzame doorsnede juist een factor twee groter
is. De afhankelijkheid van de werkzame doorsnedeverhouding van de impuls-
overdracht lijkt te suggereren dat de waargenomen verschijnselen het gevolg
zijn van wisselwerkingen tussen quarks van verschillende nucleonen. Op dit
moment zijn er echter nog geen exacte berekeningen beschikbaar om deze
interpretatie kwantitatief te verieren.
Een van de belangrijkste waarnemingen is dat de formatie van positief
geladen hadronen minder invloed ondervindt van de atoomkern dan de for-
matie van negatief geladen hadronen. Voor positieve hadronen is de fractie
baryonen (hadronen bestaande uit drie quarks) in vergelijking met mesonen
(hadronen bestaande uit twee quarks) groter dan voor negatieve hadronen.
Het verschil tussen de positieve en negatieve hadronen kan worden begrepen
door aan te nemen dat baryonen een langere tijd nodig hebben om te ontstaan
dan mesonen. Daardoor hebben zij een kleinere kans om met nucleonen in
de atoomkern te wisselwerken. Dit is in tegenspraak met een aantal (een-
voudige) modellen voor hadron formatie, die een formatietijd voorspellen die
omgekeerd evenredig is met de massa van het gevormde hadron.
Het blijkt dat bij deuterium meer hadronen met een grote fractie van de
energie van het virtuele foton worden gedetecteerd dan bij stikstof. Dit wijst
er op dat een hadron en/of quark een kleine kans heeft om de atoomkern te
doorkruisen zonder dat het energie verliest. Wanneer de waarschijnlijkheid
voor een wisselwerking van de quark met de atoomkern kleiner is dan voor
een hadron, zoals blijkt uit eenvoudige modellen, is een mogelijke oorzaak
hiervoor dat de formatietijd voor een hadron met een hoge energiefractie
relatief klein is. Een vergelijking van de meetgegevens met modellen waar-
bij het formatieproces is opgedeeld in twee of drie perioden, laat zien dat
dergelijke modellen in de huidige vorm niet is staat zijn alle meetgegevens
adequaat te beschrijven. Modellen die gebaseerd zijn op de emissie van glu-
onen beschrijven de meetgegevens redelijk.
show less