Ein aktueller Artikel der CMS-Kollaboration am LHC beschreibt, wie seine Teams die Quarks auf einer Skala von 10-20 Metern sondiert haben, um diese Hypothese zu testen.
Bild: A. Iqbal/ CMS
Auf dieser Skala wurde kein Hinweis auf mögliche Grundbestandteile beobachtet, aber die Geschichte zeigt, dass einst als fundamental betrachtete Strukturen tiefere Unterstrukturen offenbaren können: So entdeckte man, dass Materie aus Molekülen besteht, die wiederum aus Atomen bestehen, die selbst aus einem dichten Kern bestehen, der von einer Elektronenwolke umgeben ist.
Rutherford entdeckte den Atomkern, indem er einen Teilchenstrahl (Heliumkerne) auf ein Ziel aus einer Goldfolie schickte. Er stellte fest, dass diese Teilchen aufgrund der Struktur der Goldatome in verschiedenen Winkeln abgelenkt wurden. Anschließend maß Rutherford die Winkel der Bahnen der abgelenkten Teilchen.
Durch die Untersuchung der Verteilung dieser Winkel (der Streuwinkel) konnte er nachweisen, dass die Atome in ihrem Zentrum einen punktförmigen Kern enthalten. Dieses Experiment konnte durchgeführt werden, weil der im Versuchsaufbau verwendete Heliumstrahl genügend Energie hatte, um das Innere der Atome zu sondieren.
Später wurde gezeigt, dass der Kern aus Protonen und Neutronen besteht, die selbst aus Quarks bestehen. Die Experimente am LHC, darunter CMS, setzen diese Forschungen heute fort, indem sie Teilchen bei extrem hohen Energien kollidieren lassen, um die mögliche innere Struktur von Quarks zu sondieren.
Wenn zwei Protonenstrahlen in CMS kollidieren, streuen die sie bildenden Quarks in zwei Jets - oder Teilchenschauer - die gemessen und zur Rekonstruktion des Streuwinkels zwischen den Quarks verwendet werden können.
Die Verteilung der Streuwinkel zwischen den beiden Jets kann dann mit der Verteilung verglichen werden, die zu erwarten wäre, wenn das Quark tatsächlich ein punktförmiges Teilchen wäre. Die jüngsten Ergebnisse der CMS-Kollaboration, die auf Daten aus der zweiten Betriebsperiode des LHC basieren, zeigten keine signifikante Abweichung von der Streuverteilung eines punktförmigen Teilchens. Das bedeutet, dass, falls Quarks zusammengesetzte Strukturen sind, ihre Größe wahrscheinlich 10-20 m nicht überschreitet.
Die Größe wird aus den Einschränkungen der Energieskala abgeschätzt, auf der sich der zusammengesetzte Charakter des Quarks zeigen könnte. Für das im aktuellen CMS-Artikel verwendete Referenzmodell, das von einem zusammengesetzten Quark ausging, setzen die neuesten Ergebnisse die bisher strengste Grenze bei 37 TeV.
So wie Rutherford die Bestandteile des Atoms identifizieren konnte, weil sein Teilchenstrahl ausreichend Energie hatte, könnte die Untersuchung von Teilchenkollisionen bei höheren Energien uns ermöglichen, potenzielle kleinere Strukturen im Inneren von Quarks zu entdecken.
Die Daten aus der dritten Betriebsperiode des LHC und des zukünftigen High-Luminosity LHC könnten dazu beitragen, die Unsicherheiten bei der Messung des Streuwinkels zu verringern, was den Nachweis noch kleinerer Strukturen ermöglichen und die Suche nach den kleinsten "Bausteinen" der Materie vorantreiben würde.