E - ArchiMeD - Johannes Gutenberg-Universität Mainz

1. Einleitung
Ein zentrales Interesse der Physik gilt dem Aufbau der Materie. Dabei beschäftigt sich die
Kernphysik im subatomaren Bereich im Rahmen der Nieder– und Mittelenergiephysik mit
den nuklearen und nukleonischen Freiheitsgraden und deren Wechselwirkung untereinander.
Im Hochenergiebereich ist die Elementarteilchenphysik in der Lage, subnukleonische
Strukturen der Materie aufzulösen.
Hauptgegenstand vieler Untersuchungen in der Kernphysik ist das Nukleon, das nach
heutigem Verständnis in seinen beiden Darstellungsformen als Proton und Neutron der
Baustein der Kerne ist und der starken Wechselwirkung unterliegt. Wie alle stark wechselwirkenden
Teilchen gehört das Nukleon somit zu den Hadronen, einer der beiden Klassen
von Materiebausteinen. Die zweite Klasse bilden die Leptonen, d.h. Elektron, Myon, Tau,
deren Neutrinos sowie die zugehörigen Antiteilchen. Diese unterliegen nur der elektromagnetischen
und der schwachen Wechselwirkung. Im Gegensatz zu den Leptonen, die
punktförmig sind und daher als Elementarteilchen betrachtet werden, setzt sich das Nukleon
aus anderen Teilchen zusammen. Es besitzt eine innere Struktur und wird deshalb
selbst nicht als elementar angesehen.
Die Quantenchromodynamik (QCD) beschreibt als Theorie der starken Wechselwirkung
die elementaren Freiheitsgrade der Hadronen. Dieses sind die Quarks, als die Bausteine
der Wechselwirkung, und die Gluonen, die als Träger der Farbladung die Austauschteilchen
der starken Wechselwirkung bezeichnen. Aufgrund der Stärke der Wechselwirkung
treten diese elementaren Freiheitsgrade jedoch nicht isoliert auf, sondern sind
in beobachtbarer Form stets in Hadronen „eingeschlossen“. So bilden sich aus drei Quarks
Baryonen und aus einem Quark–Antiquark–Paar Mesonen.
Das Nukleon selbst ist somit bereits ein komplexes System, das sich aus drei Konstituentenquarks,
einer Mesonenwolke aus Quark–Antiquark–Paaren und Gluonen zusammensetzt.
Eine konsistente und quantitative Beschreibung des Nukleons im Rahmen der
QCD ist nicht möglich, da aufgrund der großen Kopplungskonstante der starken Wechselwirkung
( s 1 bei kleinen und mittleren Energien) ein störungstheoretischer Potenzreihenansatz
nach s nicht konvergiert.
Zur theoretischen Beschreibung des Nukleons ist man auf die Entwicklung von Nukleonmodellen
angewiesen, wobei ein abgeschlossenes Modell nicht nur bereits bekannte
Eigenschaften wiedergeben, sondern auch bisher experimentell nicht beobachtete Merkmale
des Nukleons vorhersagen können sollte. Als Test solcher Modelle dient das Experiment,
das die Vorhersagen bestätigt oder widerlegt. Im Wechselspiel zwischen Theorie
und Experiment versucht man, durch die Verfeinerung der Modelle und die Verbesserung
der experimentellen Datenbasis den Zusammenhang zwischen dem Nukleon und seinen
Freiheitsgraden sowie deren Wechselwirkung untereinander zu verstehen.
In diesem Rahmen bewegt sich die Arbeit am Institut für Kernphysik der
Universität Mainz. Mit dem Dauerstrichelektronenbeschleuniger MAMI (MAinzer
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