Deep-inelastic scattering off 14N

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 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.