Preisverleihung des prestigeträchtigen EPS High Energy Physics Preises 2015 in Wien
14.04.2015
Die Preisträger sind James D. Bjorken (SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford, USA) „für die Vorhersage, wie sich die Struktur des Protons bei verschiedenen Energieskalen verhält, und uns damit ein neues Verständnis für die starke Wechselwirkung gebracht hat“ und Guido Altarelli (University of Roma Tre, Rom, Italien und CERN, Genf, Schweiz), Yuri Dokshitzer (Laboratory of Theoretical and High Energy Physics, Paris, Frankreich und St. Petersburg Nuclear Physics Institute, Gatchina, Russland), Lev N. Lipatov (National Research Center „Kurchatov Institute“, Petersburg Nuclear Physics Institute, Gatchina, Russland) sowie Giorgio Parisi (University of Rome, La Sapienza, Rom, Italien) „für die Entwicklung einer auf Wahrscheinlichkeiten basierenden feldtheoretischen Beschreibung der Dynamik von Quarks und Gluonen, die ein quantitatives Verständnis von hochenergetischen hadronischen Kollisionen ermöglicht“.
Die Preisverleihung wird bei einer Festveranstaltung im Rahmen der „European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPS-HEP2015)“ (http://eps-hep2015.eu) am 27. Juli in Wien stattfinden.
Ende der 50’er Jahre wurde bei der Suche nach einem tieferen Verständnis der Struktur der Materie klar, dass der Atomkern aus kleineren Bausteinen, Protonen und Neutronen, den sogenannten Nukleonen, besteht. Ausserdem wurde vorgeschlagen, dass diese Bausteine ebenfalls aus noch kleineren Bausteinen, den sogenannten Quarks, zusammengesetzt sind. Die Physiker hatten jedoch weder eine Vorstellung, wie sie diese kleinen Bausteine beobachten können, noch hatten Sie eine Theorie, die ihr dynamisches Verhalten konsistent beschreiben konnte. Im Jahr 1968 studierte J.D. Bjorken die mathematischen Eigenschaften der Streuung von hochenergetischen Elektronen an Protonen, in einem Bereich, in dem die Protonen einen unendlich hohen Impuls besitzen. Dabei hat er herausgefunden, dass die Protonenstruktur unabhängig vom Energieübertrag des Elektrons ist, der Größe, die die Auflösungsskala des Prozesses bestimmt. Basierend auf dieser Eigenschaft, das sogenannte Skalenverhalten der Struktur des Protons, schlug er vor, dass das Elektron an einem punktförmigen Baustein des Protons streut, einem sogenannten Parton. Seine Erkenntnis wurde bald darauf experimentell bestätigt und diese Partonen stimmen mit den sogenannten “Quarks” überein, die bereits zuvor postuliert wurden. Diese Entdeckung führte schliesslich zur Entwicklung einer Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung, der Quanten-Chromo-Dynamik (QCD).
Aus diesem Partonmodell resultiert eine auf Wahrscheinlichkeiten basierende Impulsverteilung der Partonen (d.h. die Quarks und die für die Bindung zuständigen Gluonen) innerhalb des Protons. Kollisionen welche hochenergetische Protonen beinhalten, können durch Kollisionen von elementaren Partonen beschrieben werden. Eine konsistente Beschreibung durch das Partonmodell im Rahmen der QCD-Störungstheorie wurde 1977 von G. Altarelli und G. Parisi und, unabhängig davon, von Y. Dokshitzer erreicht, dessen Ergebnisse sich auf die Vorarbeiten von G.N. Gribov und L.N. Lipatov stützen. Auch wenn die Impulsverteilung innerhalb des Protons nicht vorhergesagt werden kann, erlauben diese Gleichungen, die sogenannten DGLAP-Gleichungen, aufgrund von QCD-Prozessen die Vorhersage der Impulsverteilung bei unterschiedlichen Auflösungsskalen. Zudem liefern diese Gleichungen, durch die Abstrahlung von Gluonen vor der eigentlichen Wechselwirkung, eine physikalische Erklärung für die logarithmische Abweichung von der von Bjorken vorhergesagten Skalenunabhängigkeit. Dieses durch die QCD verbesserte Partonmodell wurde vielfach mit höchster Präzision experimentell bestätigt und erlaubt exakte Vorhersagen von Wirkungsquerschnitten von Hadronkollisionen. Daher sind diese Gleichungen ein wichtiger Eckpfeiler für die Interpretation aller am Large Hadron Collider durchgeführten Messungen, sowohl bei der Produktion von bekannten Elementarteilchen, als auch bei der Produktion des 2012 entdeckten Higgs-Bosons.
Professor Jochen Schieck (Institut für Hochenergiephysik der ÖAW und Technische Universität Wien), Vorsitzender des lokalen Organisationskomitees der Konferenz EPS-HEP2015 in Wien, würdigt die Arbeiten: “Die höchsten Energien können nur durch die Kollision von Protonen erreicht werden. Ohne die grundlegenden theoretischen Studien der Preisträger wäre eine schlüssige Interpretation von Protonenkollisionen nicht möglich. Die Gleichungen sind daher ein wichtiger Schlüssel für die Entdeckung und die Deutung neuer Phänomene bei höchsten Energien.”
Weiterführende Informationen:
http://www.scholarpedia.org/article/Bjorken_scaling
http://www.scholarpedia.org/article/QCD_evolution_equations_for_parton_densities