Im Zuge des ersten Wissenschaftlichen Gesprächskreises 2013 am 18. Februar 2013 trägt Herr Florian Sanftl ein sehr komplexes Thema vor. Der Titel seines Vortrags lautet „Der Anti-Materie Struktur des Protons auf der Spur“.

Herr Sanftl ist zur Zeit Doktorand am Tokyo Institute for Technology, Department of Fundamental Physics und gleichzeitig auch als Doktorand und Gastwissenschaftler am Fermi National Accelerator Laboratory (im weiteren Fermilab) in Chicago tätig. Als Doktorand in experimenteller Kern- und Teilchenphysik forscht er in Tokyo in der Gruppe von Professor Toshi-Aki Shibata, mit dem er schon 2009 beim JSPS Sommerprogramm zusammengearbeitet hatte, zum Thema „Commissioning of the E906/SeaQuest Spectrometer at Fermilab“.

Seine Messungen finden im Rahmen des SeaQuest-Experimentes in Chicago zur Erforschung der See-Quark Flavor Asymmetrie im Proton, statt, weshalb er oft zwischen Japan und Chicago pendeln muss. Eine Besonderheit ist, dass es sich um ein Low-Budget-Experiment handelt und sich die Kosten für Geräte und Sicherheitsvorkehrungen daher unter 2 Mio. US Dollar belaufen sollen. Wegen dieser relativ knapp berechneten Summe hat man gebrauchte Geräte von vorhergangenen Experimenten verwendet, diese wieder „entstaubt“ und ihnen noch einmal neues Leben eingehaucht.

Das SeaQuest Experiment wurde erst durch eine enge Zusammenarbeit von Amerika, Japan und Taiwan ermöglicht. Alle teilnehmenden Länder sind für ihre Systeme selbst verantwortlich. Die Finanzierung des Experiments erfolgt dagegen aus einem gemeinsamen Topf.

Das SeaQuest-Experiment soll Aufschluss über die innere Struktur von Protonen geben, die neben Elektronen und Neutronen Bausteine der Materie, das heißt Atome und Moleküle, sind. Man weiß, dass Protonen eine Substruktur besitzen, die aus zwei Up- und einem Down-Quark sowie Gluonen besteht. Die drei Valenzquarks (die eben genannten) erklären zwar die Ladung und die Bindungsstruktur, aber zur Erklärung der Masse und der Eigenrotation (des Spins) eines Protons müssen die Gluonen und sogenannte See-Quarks, die als Quark-Anti-Quark-Paare per Vakuumfluktuation entstehen, herangezogen werden.

Interessanterweise kommen die Anti-Up und Anti-Down Quarks nicht in gleicher Zahl im Proton vor. Die Messung ihrer realen Verteilung ist der Inhalt der Forschungen von Herrn Sanftl. Man bedient sich hierbei des sogenannten Drell-Yan Prozesses, der in Proton-Proton Kollisionen bei ausreichend hohen Energien auftritt. Dabei annihiliert ein Quark des einen Protons mit einem Anti-Quark des anderen zu einem virtuellen Photon, welches wiederum in zwei entgegengesetzt geladene Myonen zerfällt. Diese Myonen werden von dem SeaQuest Experiment detektiert und vermessen. Das hilft unter anderem Bindungsmechanismen von Atomkernen und den Proton-Teilchenstrahl am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf besser zu verstehen.

Teilchenbeschleuniger wie der LHC erlauben es Teilchen in einen Zustand zu versetzen, der dem Universum in einem sehr jungen Zeitalter gleicht; Sanftl ist die Begeisterung über diese Möglichkeit anzumerken.

Luisa Bastian
Praktikantin
DAAD Tokyo
Februar 2013